Nieuw: grafeenchemie

Scheikundige claimt koolstofkippengaas

Een DNA-molecuul reist door een gaatje in een grafeenlaag

Door Bart Braun

Grafeen was jarenlang het exclusieve speelgoed van de natuurkunde. Onderzoeker Grégory Schneider wil er een scheikundige slinger aan geven. Niet de vraag wat je ermee kunt, maar hoe je het kunt veranderen is daarbij leidend.

‘Dit is de concurrentie’, vertelt chemicus Grégory Schneider, terwijl hij een filmpje laat zien op zijn telefoon. ‘Een apparaat, ter grootte van een USB-stick, dat je in je computer kan steken. Het bestaat uit een groot aantal eiwitbuisjes, en door die buisjes lopen strengen DNA.’ U weet nog wat dat is, toch? Een lang kettingvormig molecuul met erfelijke informatie, vastgelegd in de vier ‘kralen’ A, T, C en G? Dat spul, inderdaad.
Het bepalen van de volgorde van de A’tjes, T’tjes, G’tjes en C’tjes heet sequencen, en is van belang voor allerlei landbouwkundige, wetenschappelijke en medische vragen. Het is ook een bedrijfstak waarin nu al miljarden omgaan, en die naar verwachting nog veel groter zal worden, de komende jaren. Er valt dus iets te winnen als je het sneller of slimmer kan doen.
Schneider legt met een simpele tekening uit hoe de eiwitbusjes werken. De DNA-moleculen bevinden zich in bakje met een zoutoplossing, met in het midden van de bak een membraan met de buisjes erin. Als je een spanningsverschil aanlegt over je bak, trekt dat het DNA door de buisjes heen, en de geladen deeltjes (ionen) van het zout. Als er DNA door een buisje gaat, passen er minder ionen door. Omdat de vier ‘kralen’ niet precies even groot zijn, kan je aan de hoeveelheid ionen die er wél doorheen komen zien welke kralen er in het buisje zitten.
Het probleem is: die buizen zijn te lang. Je meet dus nooit één kraal tegelijk, maar meerdere. Dat maakt de kans op fouten groter. ‘Je wilt eigenlijk een zo dun mogelijk membraan hebben’, vat hij het samen.
Dat brengt hem op het onderwerp waar hij op het Delftse lab van de beroemde nanowetenschapper Cees Dekker aan werkte, en waar zijn nog jonge Leidse groep nu mee aan de slag is gegaan: grafeen. U weet nog wat het is, toch? Een netwerk van koolstofatomen, een groot kippengaasvormig molecuul van precies één koolstofje dik? Dat spul. ‘Dunner kan het niet’, aldus Schneider.
In een overzichtsartikel in Chemical Society Reviews laat hij samen met twee collega’s zien dat er nog een hoop problemen moeten worden overwonnen. Zo is grafeen sowieso lastig om op grote schaal te maken. Schneiders lab maakt het zelf in hoeveelheden van dertig vierkante centimeter per dag. De productie van grafeen-met-superkleine-gaatjes – die je erin kan schieten met een laser of een elektronenmicroscoop – is nog lastiger. En heb je eenmaal kleine gaatjes, dan raken die vervolgens verstopt door het DNA. Grafeen geleidt stroom, en dat brengt ruis met zich mee. ‘We staan nog aan het prille begin’, concluderen Schneider en co dan ook. ‘Maar het principe van een flinterdun materiaal waarmee je snel aan DNA meet, is levensvatbaar.’
Dat flinterdunne materiaal hoeft helemaal geen pure grafeen te zijn, denkt Schneider. Wie weet wat er met enkele chemische veranderingen allemaal mogelijk wordt?
‘Bijna al het onderzoek dat nu naar het materiaal wordt gedaan, is natuurkunde (bijvoorbeeld dit, red). Wij willen een nieuwe, chemische draai aan het grafeen-onderzoek geven. Als je grafeen aan natuurkundigen geeft, gaan ze bedenken wat ermee kan worden gedaan. Een scheikundige vraagt zich af hoe het spul kan worden veranderd. Kun je bijvoorbeeld de chemische eigenschappen zo aanpassen dat de gaatjes minder snel verstopt raken? Kun je bepaalde chemische groepen tussen het koolstof zetten zodat je betere metingen kunt doen? Wij kunnen over dit soort dingen nadenken, omdat we chemici zijn. Wat gebeurt er precies op de randen, en aan het oppervlak van grafeen? En hoe kunnen we dat beïnvloeden?’
In een binnenkort verschijnend artikel in ChemPhysChem laat Schneiders groep zien dat er op allerlei verschillende manieren aan grafeen gesleuteld kan worden. Dat kan – in theorie, althans – ook iets functioneels opleveren: ‘Op maat gemaakte grafeenranden, met volledige controle over de geometrie en chemie van de rand.’
Schneider: ‘Het sequencen van DNA is maar één mogelijke toepassing, er zijn er waarschijnlijk nog veel meer. Ik wil de oppervlaktechemie en de chemie van de grafeenrandjes begrijpen, zodat we vervolgens de eigenschappen van DNA beter kunnen begrijpen. We willen ook onderzoeken of grafeen geschikt is om medicijnen op de juiste plaats in het lichaam te krijgen. En misschien wel het belangrijkste: ik wil leren hoe je met de chemie van grafeen betere sensoren kan maken, zodat je het oppervlak van grafeen als sensor kan gebruiken voor andere moleculen. Daar is het nu nog te gevoelig voor, maar misschien dat we daar wat aan kunnen doen. Maar eerst moet je begrijpen wat er in vredesnaam op dat oppervlak gebeurt.’
‘We zijn echt aan het pionieren. Er zijn op de hele wereld niet veel mensen die aan de scheikunde van grafeen werken. Ik wil hier in Leiden een niche opbouwen, en hopelijk gaan mijn promovendi dan verder met dit onderzoek als ze hier klaar zijn. Er zijn gewoon meer mensen nodig die dit doen.’

Deel dit bericht:

Voorpagina

Achtergrond

Wetenschap

Verslaving

Prof.dr. Vincent Hendriks, onder­zoeker bij Brijder Verslavingszorg, hield vrijdag …

Nieuws

Rapport blijft geheim

Minister van Justitie Van der Steur houdt vol dat het politieonderzoek naar de …

English page