Veronique Van Speybroeck, burgerlijk natuurkundig ingenieur en quantummodeleerder, krijgt de prestigieuze Francquiprijs voor exacte wetenschappen. Met haar pionierswerk baant ze de weg voor meer ecologische industriële processen van de toekomst.
Beeld: zaie via Freepik
U werkt op twee dingen die voor de meeste mensen niet erg verenigbaar lijken: geavanceerde quantumsimulaties en industriële processen zoals katalysatoren. Wij dachten dat quantumfysica iets abstracts was dat in ons leven geen enkele rol speelde, en nu blijkt het overal.
‘Eigenlijk is quantummechanica inderdaad overal rondom ons. Mensen staan daar niet bij stil, maar het is zo. Elke chemische binding is een gunstige overlap van golffuncties van verschillende elektronen. Die interactie kan men alleen maar met quantummechanica beschrijven.’
‘In de basischemiecursussen hebben velen van ons orbitalen gezien. Dat waren mooie prentjes, maar die vorm volgt eigenlijk uit het oplossen van de Schrödingervergelijking van een quantummechanisch veeldeeltjesprobleem. Ik doe dat in mijn cursussen, met de studenten voor het waterstofatoom. Dat is het enige atoom dat we exact kunnen oplossen, want het heeft maar één elektron. Ik vind dat een heel mooie ervaring. Die studenten zitten in hun tweede, derde bachelorjaar. En wanneer we die Schrödingervergelijking oplossen en ze dan opeens wiskundig die orbitalen zien verschijnen, vinden ze dat erg spectaculair.’
‘Dat wij quantummechanica elke dag aan den lijve ondervinden, is ook wat mij interesseert. Ik ben natuurkundige van opleiding, ik was erg geïnteresseerd in theoretische vakken. Maar in de cursus ‘quantumtheorie van de chemische binding’ zag ik dat ik daar iets mee kon doen.’
‘In ons onderzoek proberen wij te begrijpen waarom chemische bindingen worden gevormd. Alles moet daar quantummechanisch beschreven worden, en dat is natuurlijk ook de grote uitdaging. Quantummechanica is immers een mooie, wat abstracte theorie, maar om die toe te passen op een realistisch systeem met veel atomen, dat is andere koek. Het heeft dan ook een tijdje geduurd voor we stonden waar we nu staan. Als ik startte, einde jaren het negentig, konden we kleine moleculen onderzoeken. Nu kunnen we grote systemen modelleren, met een duizendtal atomen die we quantummechanisch beschrijven.’
Door die quantummodellering kunnen jullie de werking van chemische processen voorspellen?
‘Traditioneel zijn veel industriële chemische processen en het ontwerp van katalysatoren vaak nog gebaseerd op trial and error. Er gebeuren kleine veranderingen en dan werkt de katalysator anders. Maar hoe anders, dat kan je moeilijk achterhalen met experimenten. Ook met de sterkste microscopen is het moeilijk om tot op de atomaire schaal te gaan. En daar ligt onze bijdrage: begrijpen wat er op de kleinste schaal – de nanoschaal - gebeurt.’
‘Een keer je het begrijpt, kun je ook ontwerpen natuurlijk. We proberen goede voorspellingen te geven over welke katalysatoren beter zouden functioneren. De bedoeling is om ze op een efficiëntere manier te ontwerpen, met gericht design. De basisbouwstenen voor grondstoffen, etheen en propeen, komen klassiek uit ruwe aardolie of fossiele grondstoffen. Daar moeten we uiteraard van af. Nu zet de wereld volop op nieuwe grondstoffen in, met bijvoorbeeld het methanol-to-olefins process. Dat start van methanol, wat uit afval kan komen, of biomassa, maar het kan ook gemaakt worden uit CO2. We hebben dus innovatieve katalysatoren nodig. Ook nanoporeuze materialen om CO2 op te vangen worden steeds belangrijker.’
‘Vandaag werken we nog in zeer sterke synergie met de experimentatoren. Meestal gaan we over en weer. Maar in de toekomst gaan we de procescondities zoals bij een echte katalysator - met realistische dimensies en defecten - hopelijk volledig kunnen simuleren op het computerscherm.’
Hoe ver zijn we daarvan af, en hoe willen jullie dat doen?
‘Die filmpjes op onze site zijn modellen met ongeveer vijfhonderd atomen, maar om een echt chemisch proces te simuleren op een realistische katalysator zouden we miljoenen atomen moeten simuleren. Zo’n filmpje maken met honderden atomen en dat allemaal quantummechanisch doorrekenen duurt misschien al twee maanden met de supercomputer. Vandaar dat we nu ook werken met artifiële intelligentie.’
Moleculaire modellering van realistische omstandigheden bij methanolconversie (CMM)
‘Op basis van quantummechanische data, die we halen uit kleinere systemen en zeer accuraat bepalen, proberen we met machine learning modellen de energie van complexe systemen te bepalen. Daarbij blijft de quantummechanica enorm belangrijk. Want de trainingdata die je maakt moeten wel goed zijn. Een machine learning model is niet slim, het is maar zo goed als de data die je erin steekt. We zijn zo’n drie jaar geleden met die machine learning begonnen en nu pas hebben we daarover goede artikelen gepubliceerd op realistische materialen die zeer complex zijn.’
‘Volgens mij zal dat echt een game changer worden. Een realistisch katalytisch experiment simuleren waarbij een realistische grondstof wordt gestuurd over een materiaal van vijftig nanometer of iets meer, en dat terwijl het proces loopt … dat is echt wel een droom. Ik hoop dat we daar toch grote stappen in zullen zetten binnen de volgende vijf jaar.’
‘Dat zijn zeer ambitieuze dingen natuurlijk. Dat is duidelijk. Dat zijn ook zaken die je niet altijd met een regulier project kan doen. Want als je van die heel innovatieve uitdagende dingen wil doen, is daar soms wat scepsis over: is dat wel mogelijk? Het meest innovatieve onderzoek wordt niet altijd gemakkelijk gefinancierd. De Europese Commissie, met de ERC grants, financiert wel dergelijk onderzoek. Maar we staan daar bloot aan heel grote competitie.’
‘Als we dus over fondsen beschikken waarover ik kan kiezen wat ik ermee doe, dan ga ik heel innovatieve spectaculaire dingen doen. De weg vooruit.’
Zijn er door die sterkere modellering of door die AI nog dingen opgedoken die u niet verwacht had?
‘Toch wel, we hebben spectaculaire fenomenen gezien. Bepaalde materialen vertonen flexibel gedrag. Als je temperatuur gaat verhogen of extra druk uitoefent, veranderen ze van vorm. Experimenteel had men gezien dat het flexibel gedrag enorm werd beïnvloed door de kristalgrootte. Wij hebben dat in ons model gegoten. Als we met kleine systemen werken dan zien we dat alle poriën simultaan open- of dichtgaan. Met een miljoen atomen zien we een totaal ander gedrag. Het materiaal ondergaat op een totaal andere manier de fasetransformatie: ze begint op een bepaald nucleatiepunt, en dan worden er domeinen gevormd.’
Komt de vraag naar modellering vooral vanuit de ontwerpers van de industriële processen? Of werkt het ook andersom?
‘Het kan ook andersom. Voor CO2-capture kunnen we ook high throughput screenings doen waarbij we starten van honderdduizenden hypothetische materialen. Daar laten we dan selectiecriteria op los. Op die manier komen we uit bij een set van materialen die potentieel interessant zijn en dan kunnen onze experimentele partners die proberen te synthetiseren. Natuurlijk: niet alles is synthetiseerbaar. Wij kunnen bijna alles in ons model opnemen. Dat is zoals met Lego spelen, blokjes in elkaar zetten op de nanoschaal. Maar experimenteel moeten die basisbouwblokken gemaakt kunnen worden.’
‘Maar vaak gebeurt het ook dat experimentatoren al vastgesteld hebben dat een materiaal al goed werkt. Dan kunnen wij proberen te begrijpen waarom dat goed werkt. Als we dit begrijpen kunnen we verdere veranderingen aanbrengen om het ontwerp op de nanoschaal nog te verbeteren. Zo modelleren we aan materialen die recent ontwikkeld zijn voor CO2-opslag, die ook al getest werden op industriële schaal.’
Wordt dat niet altijd maar belangrijker omdat heel veel chemische processen om dingen te maken al 100 of 200 jaar meegaan? We weten gewoon dat het werkt maar niet waarom. Maar nu is de wereld aan het veranderen: bepaalde grondstoffen raken op, bepaalde willen we niet meer gebruiken, ...
‘Onlangs is er een artikel verschenen door een collega van Utrecht, over de raffinaderij van de toekomst. Vandaag werken de meeste raffinaderijen nog bijna volledig op ruwe aardolie. In de toekomst gaan we van andere grondstoffen moeten starten , zoals CO2, biomassa, ook plasticafval. We gaan daar zeer goede katalysatoren en processen moeten voor ontwikkelen, dus dat moleculaire ontwerp zal belangrijk zijn. Zeker ook omdat die nieuwe grondstoffen veel ingewikkelder zijn.’
‘Dan moeten we met modellen kunnen werken die representatief zijn voor realistische processen. We hebben de tijd achter ons laten dat we op kleine moleculen modelleren. We proberen nu echt het proces te modelleren zoals het is.’
Wat vindt u vooral belangrijk voor de toekomst van het onderzoek?
‘Jonge mensen stimuleren voor wetenschap en technologie. We hebben grote uitdagingen die op ons afkomen, maar we moeten er optimistisch naar kijken en er iets aan doen. En ik geloof heel sterk in de kracht van jonge mensen. Als ik nieuwe mensen zie in het auditorium en ik zie hoe enthousiast die zijn... Dat vind ik voor mijzelf heel belangrijk. Ik hoop dat die prijs ook een stimulans is om het belang van wetenschap en technologie te tonen aan jonge generaties. Het gaat niet om mijzelf.’
‘Ook samenwerking tussen mensen vind ik heel belangrijk. Ik denk echt dat grote wetenschap pas kan gedaan worden door samenwerking tussen mensen met een verschillende wetenschappelijke achtergrond. Dat heb ik altijd in mijn onderzoek gestimuleerd , ook hier binnen het Centrum voor Moleculaire Modellering natuurlijk.’
‘Het blijft natuurlijk ook heel belangrijk dat er voldoende geïnvesteerd wordt in fundamenteel ongebonden onderzoek. Want we moeten toch die vruchtbare voedingsbodem blijven creëren! Als je aan de top wil blijven van je discipline, moet je telkens alles opnieuw bedenken. Het is heel belangrijk om jezelf altijd weer in vraag te stellen, en dan nieuwe dingen te doen. Mensen die hier een doctoraat doen, die zijn specialist in ons vakgebied , maar die gaan later aan de slag in allerlei sectoren. De kennis die ze verworven hebben, dat werkt als een domino-effect.’
‘Ik vind dus dat we als maatschappij onderzoek waar we niet onmiddellijk morgen een toepassing van zien, moeten steunen, ook met financiering. Dat ongebonden onderzoek, dat kan echt leiden tot zeer grote innovaties. We moeten ook fundamenteel nieuwe dingen doen, blue sky research. Anders boeren we gewoon achteruit, als wetenschappers, maar ook als maatschappij.’
