‘Koolstof is het bijzonderste element in het universum’

Midden jaren 1980 werd buckminsterfullereen ontdekt – de ‘buckybal’. Het was meteen ook de geboorte van de nanowetenschap. Dertig jaar later is van echte toepassingen van de nanotechnologie nog steeds geen sprake. ‘We moeten geduld oefenen’, zegt Harold Kroto, mede-ontdekker van de buckybal. ‘Er zijn fantastische mogelijkheden.’

Hij geeft het ruiterlijk toe: zijn grootste prestatie, de ontdekking van buckminsterfullereen was voornamelijk het gevolg van toeval – hoewel wetenschappers liever het eufemisme ‘serendipiteit’ gebruiken. Toen Harold Kroto in september 1985 op bezoek was bij zijn collega-scheikundigen Richard Smalley en Robert Curl Jr. in hun laboratorium in Texas, was het drietal helemaal niet op zoek naar de derde verschijningsvorm van koolstof – na grafiet en diamant. ‘Begin jaren 1980, aan de University of Sussex, had ik een speciaal onderzoeksprogramma in de astrochemie opgestart’, vertelt de 74-jarige Kroto ons in het Zuid-Duitse stadje Lindau, waar de man afgelopen zomer een conferentie voor Nobelprijswinnaars bijwoonde. ‘We wilden kijken welke koolstofketens, van het genre van benzeen en andere organische verbindingen, tweelingbroertjes hadden in de interstellaire ruimte. Dat leidde tot de onverwachte vaststelling dat de meeste complexe koolstofketens die we op aarde produceren, ook ‘van nature’ voorkomen in de gaswolken van koolstofsterren (oude sterren die meer koolstof dan zuurstof bevatten in hun atmosfeer, red.). We stonden perplex.’

Kroto wilde de chemische processen die zich in die kosmische gaswolken afspelen vervolgens simuleren in zijn lab – om zo via een andere weg deze koolstofketens te produceren. Daarvoor ontbrak het hem echter aan hoogtechnologische apparatuur. ‘Maar Richard (Smalley, red.) en Bob (Robert Curl, red.) hadden een fantastisch apparaat in hun lab staan, een lasertoestel dat grafiet in enkele microseconden kon laten verdampen. Toen ik het toestel zag, wist ik meteen dat we daarmee de chemie in koolstofsterren konden simuleren.’ Inderdaad, uit de experimenten die Kroto, Smalley en Curl met het apparaat uitvoerden, rolden alle koolstofketens die Kroto eerder al had waargenomen in de buurt van koolstofsterren. Maar de drie scheikundigen kregen een serieuze kers op de taart. Ze vonden – totaal onverwachts – een onbekende sferisch symmetrische en holle molecule samengesteld uit welgeteld zestig koolstofatomen. Die bleken alle zestig ook nog eens netjes gerangschikt, in twintig regelmatige zeshoeken en twaalf regelmatige vijfhoeken – net zoals de stiknaden van een voetbal. Kroto gaf de molecule de naam buckminsterfullereen, naar de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller, die kort daarvoor was overleden, en die beroemd was geworden met zijn ontwerpen van geodetische koepels waarop de moleculaire structuur sterk leek. Kroto: ‘We plakten er het achtervoegsel ‘-een’ aan, wat een chemisch klinkende naam opleverde – genre benzeen, propeen, etc.’ Bij het grote publiek werd de bolvormige supermolecule al snel bekend als de ‘buckybal’. Maar onder scheikundigen hoor je vaak de iets prozaïschere naam koolstof-60.

Kroto, Smalley en Curl konden buckminsterfullereen dan wel produceren dankzij de simulatie van de chemische processen in interstellaire gaswolken, het duurde tot 2010 voor de buckybal in échte gaswolken werd waargenomen. Toen maakte de Spitzer-telescoop van de NASA infraroodbeelden waarop duidelijk de vingerafdruk van koolstof-60 was te zien.

De ontdekking van buckminsterfullereen opende een nieuw vakgebied binnen de scheikunde, en binnen de wetenschap in het algemeen: de nanochemie en de nanotechnologie. In de jaren en decennia na de ontdekking brachten andere wetenschappers de eigenschappen van de buckybal – en van andere fullerenen zoals buckybuizen en nanobuizen – nauwkeurig in kaart. Die bleken erg bijzonder, en ze zouden ‘binnen afzienbare tijd’ supersterke materialen opleveren, supergeleiding mogelijk maken en aan de wieg staan van supersnelle computers. Anno 2013 is er echter nog geen enkele concrete ‘wondertoepassing’ gerealiseerd. De omslag van nanowetenschap naar nanotechnologie laat op zich wachten.

Duurt het nog eens dertig jaar voor de eerste échte nanotoepassingen het licht zien?

Kroto: ‘We moeten inderdaad geduld hebben. In de nanowetenschap gebeurt alles bottom-up, en dat geldt ook voor de manier waarop het onderzoek verloopt. Bij ons zie je geen grote, allesomvattende theorieën. Stapje voor stapje boeken we vooruitgang, krijgen we nieuwe vaardigheden onder de knie, waardoor op termijn nieuwe toepassingen inderdaad het daglicht kunnen zien. Maar je hebt gelijk: als je over nanotechnologie in de strikte betekenis praat – complexe atomaire of moleculaire systemen die zichzelf kunnen assembleren – zie ook ik nog geen gerealiseerde toepassingen. Daar reken ik de tandpasta aangevuld met nanodeeltjes echt niet bij.’

‘Met koolstof-60 zou je snel en goedkoop organische zonnepanelen kunnen maken, geprint op een laag plastic’

Van welke toepassing droomt u?

‘Met buckminsterfullereen, bijvoorbeeld, kun je een heleboel kanten uit. Maar de meest veelbelovende toepassing voor mij is het gebruik van koolstof-60 als grondstof voor organische zonnecellen. Die zouden snel en goedkoop op een laag plastic geprint kunnen worden – in hetzelfde tempo als nu met de papieren krant. We zouden dan geen silicium meer nodig hebben, wat momenteel toch een doorbaak van zonne-energie in de weg staat.’

Over nanotechnologie wordt vaak negatief bericht. Zo zouden we maar half weten welke gevaren we ons op de hals halen. Moeten scheikundigen actief deelnemen aan het debat daarover?

‘Natuurlijk, want alleen zij weten in de kern waarover het gaat. Maar ze moeten openlijk durven toe te geven wat de mogelijke gevaren zijn. Nanotechnologie tegenhouden kun je overigens toch niet. Dat is alsof iemand aan het begin van de vorige eeuw zou gezegd hebben: van de chemie weten we toch te weinig om ermee verder te gaan. Nanotechnologie is trouwens verre van nieuw. Alleen het concept van zelfassemblage (waarbij verschillende componenten zichzelf automatisch organiseren tot een georganiseerde structuur, red.)  is nieuw. Ik ben ervan overtuigd dat in de toekomst fantastische dingen mogelijk worden dankzij bottom-upfabricage.’

Denkt u dat er nog andere, vooralsnog onbekende ‘supermoleculen’ van het genre van koolstof-60 bestaan?

‘Dat denk ik niet. Je moet weten dat koolstof-60 betrekkelijk laat is ontdekt. En dan nog was het voor een stuk een toevallige ontdekking. Al in de jaren 1970 was ik aan de universiteit van Sussex op zoek naar nieuwe koolstofketens. We hadden al veel complexere ketens dan koolstof-60 ontdekt en geproduceerd in het lab. Maar voor koolstof-60 hadden we een omweg via de astrochemie nodig. Daardoor heeft het zo lang geduurd voor we buckminsterfullereen konden maken.’

De ontdekking van koolstof-60 was een mooi voorbeeld van serendipiteit: je vindt iets compleet nieuws, terwijl je eigenlijk op zoek was naar iets anders. Zegt dat iets over hoe wetenschappelijk onderzoek moet gebeuren?

‘Ik ben voorstander van goed, degelijk onderzoek. Van het soort waarbij de onderzoeker genoeg vrijheid krijgt om te doen waarin hij goed is. Wetenschappers moeten zich niet te veel laten leiden door publicatiestatistieken of andere externe graadmeters. De dagelijkse wetenschappelijke praktijk, het onder de knie krijgen van technieken – the nitty-gritty of science– dáár draait het om. En over de keuze van het onderwerp, natuurlijk. Doe vooral datgene waar je goed in bent. Laat je niet meeslepen door zogenaamd strategisch onderzoek. Daarmee bedoel ik wetenschappelijk onderzoek waarmee men een duidelijke richting uit wil – een richting die vaak wordt bepaald door externe financiers, en uitgezet wordt in de vorm van mijlpalen. Neem bijvoorbeeld het onderzoek naar kunstmatige fotosynthese. Ik heb sterk het gevoel dat de uiteindelijke doorbraak uit onverwachte hoek zal komen.’

Spannende molecules zoals de buckybal en de nanobuis, maar ook grafeen, bestaan allemaal uit koolstof. Wat is er zo bijzonder aan dit element?

‘Koolstof is ronduit uniek in de tabel van Mendeljev, en het is het bijzonderste element in het universum, omdat koolstofverbindingen in zoveel verschillende configuraties kunnen bestaan. Twee koolstofatomen kunnen met elkaar binden in een enkelvoudige, een dubbele en een driedubbele binding. Het verschil tussen die bindingen is zo fundamenteel dat het leven er helemaal anders had uitgezien als die bindingen lichtjes andere eigenschappen bezaten. Niet toevallig is 90 à 95 procent van de chemie dan ook organisch – gebaseerd op koolstof.’

Ondanks uw joodse afkomst (Kroto heeft een Poolse vader en hij heette bij z’n geboorte Krotoschiner, red.) bent u een overtuigd atheïst. En dat verwacht u ook van uw collega-wetenschappers.

‘Geregeld krijg ik e-mails van onderzoekers die me vragen hoe ze hun wetenschappelijk werk gescheiden kunnen houden van hun religieuze overtuiging. Je zou verbaasd zijn hoeveel er tegenwoordig nog met dit dilemma worstelen. Ik heb het daar erg moeilijk mee, en ik zeg hen dat ook duidelijk in mijn antwoorden. Ondanks de gigantische technologische vooruitgang die we de voorbije eeuwen hebben geboekt, blijkt de mensheid een achilleshiel te bezitten. We schijnen het er toch moeilijk mee hebben dat we slechts een ontwikkelde diersoort zijn – en niet meer dan dat.’

‘Had ik vóór de Tweede Wereldoorlog geleefd, dan was ik marxist geweest’

‘Ik koester de Europese seculiere cultuur, waarin kerk en staat strikt gescheiden zijn, en waarin humanistische principes belangrijk worden geacht. Had ik vóór de Tweede Wereldoorlog geleefd, dan was ik waarschijnlijk een overtuigd marxist geweest. Maar op de een of andere manier lijkt het marxisme altijd uit te draaien op een dictatuur – dat is intussen haast empirisch bewezen. Een fundamenteel onderdeel van deze seculiere cultuur is rationaliteit. Ik wil absoluut dat toekomstige wetenschappers de rationaliteit hoog in het vaandel blijven dragen, en ze desnoods met hand en tand verdedigen.’

Nochtans ligt de geloofwaardigheid van wetenschappers geregeld aan diggelen – getuige het toenemend aantal gevallen van wetenschappelijke fraude.

‘Ach, om hoeveel gevallen gaat het werkelijk? Volgens mij is dat aantal totaal verwaarloosbaar. Nog nooit waren er in de wereld zoveel wetenschappers actief. Trouwens, in de meeste gevallen werd de fraude ontdekt en gecorrigeerd door andere wetenschappers – een pluim voor het zelfcorrigerende mechanisme van wetenschap.’

‘Ik erger me aan het opblazen van wetenschappelijk onderzoek’  

‘Ik maak me eerder zorgen – of eigenlijk erger ik me er gewoon aan – over het opblazen van wetenschappelijk onderzoek. Hyperflation, noem ik dat. Dat is veel schadelijker dan fraude, want je creëert valse verwachtingen bij het grote publiek. Als ik een krant of een tijdschrift doorblader en de wetenschappelijke berichtgeving erop nasla, dan zie ik te veel speculatie, te weinig bewezen feiten. Dat is voor een stuk ook de schuld van journalisten. Jullie willen in de eerste plaats natuurlijk de lezer boeien met een aanstekelijk verhaal. Nuances passen daar vaak niet in. Daardoor zijn de snaartheorie en al die hypotheses over parallelle universums ook zo populair. Nochtans is niets van dat alles bewezen of empirisch gecontroleerd.’

BIOGRAFIE

Harold Kroto

Harold Kroto (°1939) studeerde scheikunde aan de Britse Sheffield University. In 1964 promoveerde hij daar met een proefschrift over moleculaire spectroscopie. Na onderzoekswerk in de Verenigde Staten en Canada belandde Kroto aan de universiteit van  Sussex, in Zuid-Engeland, waar hij met een eigen groep onderzoek ging doen naar nieuwe koolstofketens. Begin jaren 1980 startte hij een onderzoeksprogramma gericht op het identificeren van koolstofketens in gaswolken nabij koolstofsterren.

In het midden van de jaren 1980 kwam hij in contact met Richard Smalley en Robert Curl Jr., twee Amerikaanse scheikundigen verbonden aan Rice University, in de staat Texas. Samen met hen deed Kroto in 1985 de ontdekking die het drietal in 1996 de Nobelprijs voor de scheikunde zou opleveren: ze vonden buckminsterfullereen. Deze ‘supermolecule’, ook wel koolstof-60 of ‘buckybal’ genoemd, staat aan de basis van de nanochemie en –wetenschap.

Sinds 2004 is Harold Kroto gasthoogleraar aan Florida State University. Hij is ook oprichter en directeur van de Vega Science Trust, een Britse vereniging die educatieve films maakt over wetenschap, bedoeld voor scholieren in het middelbaar.