Kijk eens om je heen. Welke materialen zie je allemaal? Het raam is gemaakt van dun, doorzichtig glas; in je kleding zit comfortabel, rekbaar katoen; en de oplaadkabel van je telefoon bevat een soepel, beschermend laagje plastic. Stuk voor stuk nuttige materialen die doen wat ze moeten doen. Toch zijn ze volgens chemicus Peter Korevaar ook best dom. Glas, katoen en plastic negeren hun omgeving en kunnen niet communiceren. Hun gedrag is voorspelbaar, legt de onderzoeker uit. “Dat is voor je spullen maar goed ook. Je wil niet dat aan je shirt extra mouwen groeien of dat je kabel opeens in tweeën deelt.”

Voor andere materialen zijn dergelijke levensachtige eigenschappen juist enorm handig. Neem bijvoorbeeld bloedplaatjes die samenklonteren als je in je vinger hebt gesneden; of het blad van een vleesetende plant dat dichtklapt als er een vlieg op landt. In de natuur tref je overal slimme materialen die reageren, communiceren en van vorm veranderen.

Korevaar droomt van zulke intelligente bouwstenen, maar dan uit het lab. De chemicus ontwikkelt synthetische materialen met levendige eigenschappen. Dat doet hij met zijn onderzoeksgroep aan de Radboud Universiteit in Nijmegen, waar hij werkt als universitair docent Physical Organic Chemistry. “Net als glas en plastic zijn de materialen die wij maken dood, maar ze laten wel lifelike gedrag zien.”

Slimme druppels

Korevaar laat een video.zien uit zijn lab. Twee zeepdruppels dansen op het wateroppervlak om een oliedruppel heen. De zeepmoleculen organiseren zichzelf spontaan tot draden, een proces dat zelfassemblage heet. De oliedruppel trekt de draden aan. Wat volgt is een intrigerend schouwspel van duwen en trekken.

“Stel je nu eens voor dat we geen zeep en olie gebruiken, maar druppels die meer op een cel lijken, met een membraan aan de buitenkant en moleculen binnenin”, zegt Korevaar. “De moleculen uit de verschillende druppels gaan chemische reacties met elkaar aan.” Tussen levende cellen gebeuren zulke reacties continu. De stoffen die daarbij ontstaan drijven gebeurtenissen aan op grotere schaal, van het kloppen van je hart tot veranderingen in je gedrag. Het resultaat van de gebeurtenis, bijvoorbeeld een verhoogde concentratie van een stof, kan een signaal zijn voor de originele moleculen om de chemische reactie weer te stoppen. Met andere woorden: de materialen communiceren met elkaar.

Slimme synthetische materialen die zich op een vergelijkbare levensachtige manier gedragen, kunnen allerlei interessante toepassingen krijgen. Korevaar ziet voor zich hoe zijn groeiende draden tussen druppels bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om signalen door een materiaal te sturen. “Normale stroomdraadjes in elektrische apparaten zitten vast. Onze draden kunnen zichzelf verleggen om nieuwe verbindingen te vormen. Uiteindelijk zou dat kunnen leiden tot materialen die nieuwe dingen leren.”

Slijmzwammen

Dat Korevaar nu diep in de druppels zit, komt door een toevallige ontdekking in 2015. Hij werkte als postdoc in de groep van Joanna Aizenberg, hoogleraar Materiaalwetenschappen aan de Harvard-universiteit in Cambridge (Verenigde Staten). “Bij wijze van uitprobeersel liet ik met een collega eens een zeepachtige druppel op een wateroppervlak vallen. Opeens zagen we lange draden ontstaan.” 

Ze deden hem denken aan de slijmzwam, een organisme waar de chemicus over had geleerd van groepsgenoten die biologisch onderzoek deden. Slijmzwammen hebben iets weg van een schimmel, maar zijn dat officieel niet. Physarum polycephalum, bijvoorbeeld, bestaat uit slechts één cel, maar is in staat ‘tentakels’ te vormen die wel een meter lang kunnen worden. Korevaar: “Eerst groeit de slijmzwam een fijnmazig netwerk van dunne draadjes. De draden die voedingsstoffen tegenkomen worden dikker, terwijl de hongerige draadjes afsterven. Zo ontstaat er een optimaal netwerk tussen verschillende voedingsbronnen, waarmee de slijmzwam zo efficiënt mogelijk aan zijn eten komt.”

“Het is een fascinerend organisme”, vervolgt Korevaar. “Zo simpel en toch in staat om informatie te verwerken en daarop te reageren. En dat allemaal zonder hersenen of centrale regelunit, maar dankzij dynamische materialen die zichzelf organiseren en met elkaar communiceren.”

Van speels experiment naar onderzoeksgroep

De draadvormende druppel liet Korevaar niet los. Hij wilde alles weten over hoe en waarom die draadjes ontstaan. Wat begon als een speels experiment groeide uit tot een eigen onderzoeksgroep, die hij in 2017 startte in Nijmegen. Gaandeweg kwam het team erachter dat Korevaars druppels een systeem vormen waar je allerlei chemische reacties aan kunt koppelen. “Het leuke van synthetisch materiaal is dat je er volop mee kunt experimenteren. Het gedraagt zich levensachtig, maar is in feite dood. Je hoeft het dus ook niet in leven te houden.”

“Als je bijvoorbeeld koper aan een slijmzwam geeft, overleeft die dat waarschijnlijk niet”, vervolgt de chemicus. “Maar als we koper loslaten op onze druppels reageren die er juist actief op.” Korevaar laat nog een video zien, gemaakt door promovendus José Ferreira. “We kunnen positief geladen koperionen uit een druppel naar een negatief geladen elektrode laten drijven. Eenmaal daar vormen de ionen hun eigen draadjes, die stroom geleiden omdat ze van koper zijn. En die zoeken vervolgens weer contact met de druppel, zodat er een stroomgeleidende verbinding ontstaat.”

Pacman

Het voorbeeld illustreert waarom Korevaar zo dol is op chemie. “Er is geen enkele wetenschap waarbij je zoveel controle hebt over wat je bestudeert. Ook kunnen we het lab oplopen met een idee en dat direct uitproberen, zoals we deden bij het experiment met koper.”

De chemicus geeft zijn studenten en onderzoekers graag de vrijheid om maffe ideeën uit te proberen, net zoals hij destijds zelf op Harvard deed. “Ik vind het belangrijk dat mensen eigenaar zijn van hun eigen project. Ownership, zoals Amerikanen dat zo mooi noemen.” Het brengt zijn mensen in de positie om zelf ontdekkingen te doen. Regelmatig klopt er iemand op Korevaars deur met een bijzondere vondst of onverwacht resultaat. De vrijheid levert een groep op vol jeugdig enthousiasme, waarin niemand voor één gat te vangen is. “Als ik uiteindelijk meer leer van de studenten dan zij van mij, is mijn begeleiding geslaagd.”

Soms is de speelsheid letterlijk terug te zien in de onderzoeksresultaten, zoals op de video hierboven. Promovendus Priyanshu Singh creëerde een pacman-spel met lab-gemaakte druppeltjes. De oliedruppel gaat een chemische reactie aan met zijn omgeving. De reactie brengt de druppel in beweging waardoor een kanaaltje ontstaat. Een tweede druppel - van een tentakels groeiende zeepachtige stof - moet niets van de originele omgeving weten en blijft daardoor graag in het kanaaltje. Wel wordt de zeepdruppel aangetrokken door de oliedruppel. Korevaar: “Het is net alsof pacman een spookje achterna zit. Terwijl het spookje aan de draadjes trekt, volgt de pacman-druppel het pad dat het spookje even daarvoor zelf heeft gecreëerd, om hem uiteindelijk te vangen.”

Tot nu toe is zijn onderzoek een vrij fundamentele onderneming, aldus Korevaar. “We staan nog helemaal aan het begin van onze onderzoekstijdlijn.” Desondanks denkt hij in de tussentijd graag na over toepassingen. De chemicus laat zich daarbij inspireren door lerende en communicerende zenuwcellen in de hersenen. “We willen druppels maken met groeiende draadjes ertussen waar je een stroompje doorheen kunt sturen. Een andere druppel pikt zo’n signaal op en start of stopt daardoor een chemische reactie.”

“Stel je voor dat zo’n slim materiaal kan ‘voelen’ wat er gebeurt in het lichaam, en kan ‘leren’ herkennen dat er iets misgaat, zoals met het hart”, vervolgt Korevaar. “Het materiaal reageert op de error door bijvoorbeeld een pulserende beweging te maken of een geneesmiddel los te laten.” Het grote voordeel is dat alle informatieverwerking plaatsvindt in het materiaal zelf. Er is geen chip of computer bij nodig.

Maar hoe gemakkelijk een simpel organisme zoals de slijmzwam zich ook aanpast aan nieuwe omstandigheden, slimme synthetische materialen die op het organisme geïnspireerd zijn, liggen nog ver in het verschiet. “Maar niets is leuker dan spelen met chemische bouwstenen om te zien hoeveel intelligentie we erin kunnen krijgen.”