'Onze microscoop toont een nanodeeltje in 3D'

Gustaaf Van Tendeloo onderzoekt het aller-allerkleinste, atomen, maar verliest nooit het grotere plaatje uit het oog: een duurzame economie. In zijn wereldvermaarde EMAT-lab aan de Universiteit Antwerpen bestuderen hij en zijn onderzoekers met de krachtigste elektronenmicroscoop ter wereld hoe atomen interageren, hoe ze zich gedragen in verschillende toestanden, en hoe je nieuwe stoffen kunt creëren. Die kennis levert betere en duurzamere materialen op.

Dat je auto niet meer roest, komt door een flinterdun laagje zink, dat de carrosserie beschermt. Dat kwam er nadat wetenschappers op atoomniveau het hele proces van roesten hebben bestudeerd. Of neem een biosensor om bijvoorbeeld je suikerspiegel te meten. Veel van die apparaatjes werken op basis van gouddeeltjes omdat materiaalwetenschappers zagen dat goudatomen aan de buitenkant losser gebonden zijn dan aan de binnenkant, en zo makkelijker kunnen binden met andere stoffen, zoals glucose. ‘Wij zijn de gedragswetenschappers van de materie’, zegt Staf Van Tendeloo. ‘Zoals je op basis van een individu en zijn interacties iets kunt zeggen over een gemeenschap of natie, zo kun je door atoombindingen te bekijken de materie begrijpen.’

Van Tendeloos lab - een productief team van wiskundigen, fysici, chemici, ingenieurs en biologen - heeft een waslijst van bestaande materialen verbeterd. Dat leidde tot betere supergeleiders, materialen die stroom geleiden zonder energieverlies. De onderzoekers vonden recent ook waarom batterijen na verloop van tijd sneller leeglopen. De posities van de lithiumatomen - die kunnen laden en ontladen - worden namelijk steeds meer ingenomen door metaalatomen. Dat voorkomen zou batterijen veel langer doen meegaan.

Van Tendeloos team werkt ook op koolstofbuisjes - opgerolde grafeenlaagjes, die eruitzien als kippengaas. Daarmee zou je doelgericht medicijnen in het lichaam kunnen afleveren. ‘Chemotherapie vernietigt alle snel delende cellen, maar met koolstofbuisjes zou je de chemo gericht tot bij de tumor kunnen afleveren.’ Je kan de buisjes aansporen hun medicijn vrij te geven door er bijvoorbeeld een laserstraal op te richten of lokaal de zuurgraad aan te passen met een injectie. ‘In een van onze Europese projecten testen we dat uit.’

Qu-Ant-Em

Raadsel: je vult een kubieke millimeter door atomen te stapelen aan een snelheid van een miljoen atomen per seconde. Hoelang duurt het voor je kubusje vol is? - ‘Een paar miljoen jaar’, glundert Van Tendeloo. ‘Zó klein zijn atomen.’ Om die minuscule bouwstenen van alle materie te kunnen zien, heb je een elektronenmicroscoop nodig. De groep van Van Tendeloo heeft de krachtigste ter wereld in huis gehaald. De Qu-Ant-Em-microscoop (intussen is er ook een tweede type) is zo groot als een ruime douchecabine en staat in een bunker om trillingen tegen te gaan. De microscoop kan inzoomen tot op het atoom - tot op een halve Ångström, een twintigste van een nanometer. Bovendien kun je een groep atomen - een nanodeeltje - in drie dimensies zien, zo toonde het team van Van Tendeloo aan.

Het maakt EMAT (Electron Microscopy of Materials Sciences) tot het belangrijkste centrum voor elektronenmicroscopie en materiaalwetenschap in de wereld. ‘Onderzoek naar het verbeteren van materialen is hot. Maar door de Qu-Ant-Em-microscoop en door onze expertise werken buitenlandse onderzoeksgroepen heel graag met ons samen. Het onderzoekscentrum bestaat al sinds 1965 en leverde in 1980 al een De Leeuw-Damry-Bourlart-prijs op: voor Severin Amelinckx, die Van Tendeloo enorm inspireerde. Ook de opvolging is verzekerd: jonge talenten nemen nu al de fakkel over.

Tijd kopen

Ondanks het succes van zijn lab is Van Tendeloo bezorgd over de toekomst van het fundamenteel onderzoek. ‘Als wij vandaag toepassingen ontwikkelen maken ze het binnen de kortste keren goedkoper in landen als China. We moeten ze dus voor blijven met innovatief fundamenteel onderzoek. Maar er zijn te weinig fondsen. Verdeel en heers, is het adagium: geef iedereen een beetje geld. Daardoor krijgt veel echt vernieuwend toponderzoek weinig kans.’

Van Tendeloo geeft met de inkomsten van opdrachten voor de industrie zuurstof aan het fundamenteel onderzoek in zijn lab. ‘Ik wil mijn onderzoekers tijd geven om op projecten te werken die niet meteen iets moeten opleveren.’ Net zoals in zijn prille carrière, toen hij nog onderzoek deed naar symmetrie en defecten in materialen.

Artiesten als hefboom

Als je met Van Tendeloo praat, gaat het al snel over kunst. Hij publiceerde in 2006 het boek De schone en het beest over de gemene delers tussen wetenschappers en kunstenaars, zoals verwondering, een scherpe observatie, originaliteit en toeval. Van Tendeloo ziet mediafiguren en kunstenaars in het bijzonder als ideale woordvoerders voor de duurzame economie waar wetenschappers en ingenieurs aan bouwen. ‘Wetenschappers staan nog te veel geïsoleerd. Ze moeten kunstenaars, artiesten, filmmakers, auteurs en muzikanten overtuigen van hun ideeën over een duurzame wereld. Publieke figuren kunnen het bewustzijn van het brede publiek veranderen. Kijk maar wat de Live Aid-campagne van Bob Geldof in 1985 teweegbracht.’

Omgekeerd dienen materiaalfysici ook kunst. ‘We kijken hier hoe we schilderijen kunnen herstellen zonder het oorspronkelijke werk oneer aan te doen. Geef ons een tiende van een millimeter van Van Goghs gele verf, en wij kunnen zeggen waarvan het gemaakt is.’ Wetenschap en kunst gaan hand in hand, ook op nanoschaal.

Om de vijf jaar reikt het FWO de FWO-Excellentieprijzen uit. Deze prijzen staan bekend als de ‘Vlaamse Nobelprijzen’ en worden toegekend in de vijf grote wetenschapsdomeinen. Onderzoekers kunnen zichzelf niet kandidaat stellen, maar worden voorgedragen door collega’s uit binnen- en buitenland. Een onafhankelijke jury van internationale topwetenschappers onderzoekt de voordrachten en selecteert per domein één laureaat.

Gustaaf Van Tendeloo is professor aan de Universiteit Antwerpen en hoofd van het onderzoekscentrum Electron Microscopy for Materials Science (EMAT). Hij wordt beschouwd als de pionier in elektronische beeldvorming en heeft een zeer uitgebreide lijst van publicaties op zijn naam. In zijn carrière realiseerde hij meerdere doorbraken in de elektronenmicroscopie en zijn onderzoek heeft ook een belangrijke invloed in het domein van supergeleiding en in de ontwikkeling van nieuwe materialen.