Deze chemicus gaat als beeldhouwer te werk met microkristallen

Chemicus Willem Noorduin maakt microkristallen die verrassend herkenbare vormen blijken aan te nemen.

Enkele tientallen micrometers groot zijn ze, de bekers en vazen en kelken, bladen en stelen. Nog niet de dikte van een mensenhaar

We hebben hem niet zelf aan het werk gezien, in zijn lab. Maar zoals hij erover vertelt, is het niet moeilijk om er een voorstelling van te maken.

Laten we het voor het gemak in fast-forward doen.

Willem Noorduin, chemicus en groepsleider op het NWO-instituut Amolf in Amsterdam, een immer opgetogen krullenbol met baardje in witte jas, veiligheidsbril. Staand voor de zuurkast.

Hij lost zijn chemicaliën op in water, schudt ze wat en giet het dan allemaal bij elkaar in een bekerglas. Dekseltje erop, wachten maar. Een uur gaat voorbij, nog een uur.

Fast-forward.

Dan haalt hij het dekseltje er geconcentreerd een minuut of tien af.

Doet het er weer op.

Nogmaals drie kwartier door.

Even in de koeling en er weer uit. Voorzichtig afspoelen. En op naar de elektronenmicroscoop, elders in het lab, met een ietwat grijs uitgeslagen glaasje dat al die tijd op de bodem heeft gelegen. Zien of gelukt is wat hij wilde.

En dan, gewone snelheid, gebeurt het.

Willem NoorduinBeeld Wouter Harmsen

Vaasachtige structuren

Op het beeldscherm verschijnt in grijstonen iets dat het midden houdt tussen een verwilderd bloembollenveld en een koraalrif. We zien gekrulde bladeren, perkamentrollen, spiralen en stelen die omhoog steken, kelken die als jonge vogeltjes hun opening reikhalzende omhoog sperren. Vaasachtige structuren ook die eindigen in een preutsig o-tje, of juist een brutalere hoofdletter O.

Op het scherm geeft een balkje de afmetingen aan. Enkele tientallen micrometers groot zijn ze, de bekers en vazen en kelken, bladen en stelen. Nog niet de dikte van een mensenhaar. Niks aan te zien met het blote oog.

Het is een wonderlijke wereld, die microwereld, bekent Noorduin op zijn kale kantoortje in het helgroene Amolf-laboratorium in de Watergraafsmeer in Amsterdam enthousiast. 'Ik kan me er soms uren in verliezen. Het is een beetje alsof je snorkelt in een droomzee vol vreemde vormen die je tegelijk ook zo merkwaardig bekend kunnen voorkomen.' Glimlach, pretogen. Een onderzoeker in zijn element. Hij heeft zijn favoriete microstructuren, een kelkje waar hij soms gewoon even naar moet kijken.

Wim Noorduin (1980) is groepsleider zelf-organiserende materie op het Amsterdamse lab. Enkele jaren geleden, in 2013, haalde hij als Nederlandse post-doc op het verre Harvard de cover van het befaamde weekblad Science met een bloemenlandschap vol rozen op microscoopformaat. Gemaakt met zorgvuldig uitgemikte nanochemie, een hot topic op Harvard, vele duizenden proeven lang.

En vorige maand was er die tweede Science-paper, deels met dezelfde mensen als destijds, die zich laat lezen als een handleiding in het scheppen van microperkjes. De chemie in het artikel is van de hand van Noorduin in Amsterdam, de wiskundige modellen van Nadir Kaplan in Cambridge. Skype en e-mail doen wonderen.

De plantachtige structuren die Noorduin en zijn team maken ontstaan wanneer een verzadigde oplossing bariumchloride en natrium-metasilicaat begint te kristalliseren tot carbonaten als er koolzuur bij komt. Het proces is afgekeken van wat biologen biomineralisatie noemen: de manier waarop skeletten of schelpen ontstaan. Een grote inspiratiebron, zegt Noorduin. 'Het mooie is dat de natuur je van onderaf allerlei vormen cadeau geeft, die heel moeilijk van bovenaf te maken zouden zijn. Dat wordt boeiend als die structuren interessante optische of elektronische eigenschappen geven.'

Als een beeldhouwer

Het nieuwe artikel van Noorduin en Kaplan is een kookboek vol tips en trucs die het verschil maken tussen een open of een gesloten kelk, een rechte of een gedraaide steel, brede bladeren of smalle. Allemaal een kwestie van de juiste zuurgraad op het juiste moment, de juiste concentraties, de juiste temperatuur. Het model voorspelt welke vormen bij een bepaalde receptuur ontstaan en kan omgekeerd precies aangeven wat er nodig is voor een gewenste groeivorm. Als een beeldhouwer leidt de chemicus de processen de gewenste kanten op.

Crux in de recepten is dat er bij de kristallisatie twee groeiregimes bestaan, het ene waarbij de structuur doorgroeit in de richting van de vloeistof eromheen, het andere waarin het die juist probeert te mijden. De zuurheid van de oplossing vlak bij het al gevormde microkristal bepaalt welke van de twee processen overheerst. In het ene geval groeien er vazen en stengels, in het ander krullen en spiralen. Het proces regelt deels zichzelf. Als er ergens veel koolzuur wordt gebruikt in de reacties, daalt de concentratie ervan in de omringende oplossing vanzelf.

In de praktijk blijft het procédé overigens in hoge mate fingerspitzengevoel, bekent Noorduin. 'Een reden dat ons werk wel veel wordt geciteerd, maar nog niet massaal wordt nagedaan.' De zuurgraad, bijvoorbeeld, regelt hij in zijn proeven eigenhandig met dat dekseltje van hem. Houdt hij dat open dan lost er koolzuur uit de lucht op in het water in het bekerglas. Anders niet. De timing is bijna een gevoelskwestie. 'Ik heb het proefje met schoolklassen gedaan. Het is niet moeilijk. Maar het is een kunstje dat je wel even in de vingers moet krijgen', zegt hij. 'Vooral ook omdat je natuurlijk niet meteen kunt zien wat er groeit.'

Onzichtbaar met het blote oog maakt de verrassende herkenbaarheid onder de microscoop alleen maar opwindender. Vooral daarom zorgden destijds de microbloemen in Science, voor de gelegenheid in levensechte kleuren, voor veel media-opwinding, denkt Noorduin. 'Waarbij je natuurlijk ook het effect hebt dat je vooral de dingen eruit pikt die je op de een of andere manier aanspreken. Een vaas of een kelk heb je in de gewone wereld weleens gezien, een dubbele spiraal waar als een toffee een klein blokje bovenop is gegroeid niet zo snel.'

Toch begint hij ervan overtuigd te raken dat de gelijkenis van de kleine en de grote wereld niet helemaal tussen onze eigen oren zit. Dat een nanostructuur eruit ziet als een koraal in zee, is geen toeval. In beide gevallen spelen concentratieverschillen en verdeling van de betrokken chemicaliën dezelfde rol. Noorduin: 'Ook in ons model doet de schaal er eigenlijk verrassend weinig toe.'

Maar vraag hem wat het spannendst is, en het zijn toch de onverwachte, exotische vormen. Afgezien van het snorkelsentiment zijn daarvoor in de eerste plaats wetenschappelijke redenen. Structuren op micro- en nanoschaal spelen in de chipwereld een steeds belangrijker rol. Die worden gemaakt met opdampen en wegetsen van geleiders en halfgeleiders. Maar daar zit een grens aan, vooral omdat de lichtgolven waarmee de patronen worden getekend eigenlijk niet kleiner kunnen. Met van onderaf laten groeien is dat in principe geen probleem. Bijvoorbeeld zonnecelbouwers en licht-chipbouwers kunnen niet wachten. Dat Noorduin zijn werk midden in hun lab op Science Park doet, is dan ook bepaald geen toeval.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden