Vraag en antwoord op de schaal van nanometers

Het ideale beeld van de wetenschap komt ongeveer op het volgende neer: een goede onderzoeksvraag, een probleemloos onderzoek en duidelijke onderzoeksresultaten. De conclusies sluiten naadloos aan op je hypothese. Helaas is dit niet meer dan een beeld. In werkelijkheid verloopt een onderzoek bijna nooit vlekkeloos. Bij grote onderzoeken komen vaak een aantal problemen kijken. In een interview licht Joost Frenken ons in over het verloop van zijn onderzoek. Frenken is hoogleraar Nanotechnologie aan de Universiteit Leiden.

Elk onderzoek begint met een goede onderzoeksvraag. Het bedenken van een goede vraag is nooit simpel en zeker in de natuurkundige wetenschappen is het een grote uitdaging om een goede en bondige vraag te verzinnen. Welke aspecten betrek je bij je vraag en wanneer heb je een vraag gevonden waarop je ook werkelijk een antwoord denkt te kunnen vinden? Door goed om je heen te kijken en na te denken stel je jezelf open voor nieuwe vragen volgens professor Frenken. Toch blijkt halverwege het onderzoek vaak dat de gekozen onderzoeksvraag, toch niet de juiste is. De vraag moet worden bijgesteld. In de schoolregels staat dat je nooit aan je onderzoeksvraag mag sleutelen, maar in de praktijk leren de natuurwetenschappers ons iets anders. De vraag mag zo worden bijgesteld dat afwijkende resultaten een antwoord geven op de nieuw geformuleerde vraag. Professor Frenken heeft nog nooit zijn onderzoeksvraag weg hoeven gooien, maar schaaft zijn vragen dikwijls bij. Naast een onderzoeksvraag is het gebruikelijk een hypothese op te stellen. Dit is het antwoord op de onderzoeksvraag dat met de huidige kennis wordt verwacht. Frenken stelt echter eigenlijk nooit een hypothese op. Hij is van mening dat hierdoor een te beperkte visie gecreëerd wordt. Doordat er geen hypothese is, wordt het onderzoek niet in de richting van een ‘verwacht’ antwoord geduwd.

Wat is nanotechnologie?
Dit is een tak van de natuurkundige en scheikundige wetenschappen. Nanotechnologie is het geheel van alle technologieën waarbij stoffen of structuren van zeer kleine afmetingen worden toegepast. Een nanometer is 80.000 keer kleiner dan de doorsnede van één haar. Nanotechnologie maakt het mogelijk materialen met nieuwe eigenschappen te creëren. Hierdoor ontstaat een hele nieuwe generatie van technologische toepassingen. Nanotechnologie wordt bijvoorbeeld toegepast in de ontwikkeling van computerchips voor in mobiele telefoons of bij onderzoek naar DNA. Het woord ‘Nano’ komt van het woord νανος (nanos), dat dwerg betekent in het Grieks.

Samenwerking

Professor Frenken werkt samen met zijn onderzoeksgroep ‘Interface Physics’. Een onderzoek kun je nooit alleen uitvoeren, “Om tunnelvisie te voorkomen, moet er gediscussieerd worden.”, aldus Frenken. Een dergelijke tunnelvisie kan leiden tot te beperkt onderzoek, het links laten liggen van andere interessante vraagstukken of verkeerde conclusies. Als bij metingen verkeerde resultaten naar voren komen, wordt iedereen uit de onderzoeksgroep bij elkaar geroepen en wordt er samen naar een oplossing gezocht. Samen zoeken de onderzoekers uit of de meetapparatuur niet goed stond ingesteld, verkeerde stoffen zijn gebruikt of dat er simpelweg onhandige fouten zijn gemaakt. Deze gesprekken gaan soms hand in hand met verhitte discussies onderling, maar leveren wel altijd vruchtbare resultaten en nieuwe oplossingen op. Frenken houdt wel van wat risico en wedt dus ook graag met zijn collega’s over zijn gelijk om een flesje wijn. Wanneer twee wetenschappers het oneens zijn, zijn er volgens Frenken altijd vier mogelijke oplossingen. Partij A heeft gelijk, partij B heeft gelijk, partij A en B hebben beide gelijk of partij A en B hebben beide ongelijk. Door onderling veel te overleggen kunnen de wetenschappers erachter komen, wie in zijn recht staat en gelijk heeft. In de meeste gevallen hebben partij A en B beide gelijk. “Een probleem en oplossing kunnen we vaak van meerdere kanten bekijken.  Als twee partijen beweren gelijk te hebben, hebben zij het vaak beiden bij het recht eind. Door een beperkte visie zien de onderzoekers alleen maar hun kant van het onderwerp. Terwijl elk onderwerp meerdere kanten heeft.” Vandaag nog, de dag van dit interview, heeft Frenken een bijeenkomst met zijn onderzoeksgroep gehad. De resultaten van verschillende metingen bij een en dezelfde reactie kwamen niet overeen. Frenken dacht dat deze verschillen kwamen, doordat bij de onderzochte reactie helemaal geen vast patroon bestond in hoe de moleculen de reactie uitvoerden.  Een collega dacht dat de meetapparatuur invloed had op de reactie. Doordat de meetapparatuur telkens anders stond ingesteld, verliep de reactie steeds anders. Na gediscussieerd te hebben en alle natuurkundige schoolboeken weer eens doorgebladerd te hebben, bleek dat de genoemde collega gelijk had. Ook prof. Frenken heeft dus wel eens problemen met zijn resultaten. Door constructief te overleggen hebben ze tot nu toe alle problemen kunnen oplossen. Gelukkig heeft deze geleerde nog nooit hoeven stoppen met zijn onderzoek, omdat er problemen waren die niet meer opgelost konden worden.

Het onderzoek van Joost Frenken
Het vakgebied van prof. Frenken richt zich op de nanotechnologie. Door middel van zeer geavanceerde technieken kunnen reacties op atomair niveau toonbaar worden gemaakt. Professor Frenken kijkt naar scheikundige reacties. Bij zo’n reactie wordt bijna altijd gebruik gemaakt van een katalysator. Een katalysator is een stof die andere stoffen helpt snel met elkaar te reageren. De katalysator zorgt er voor dat de te reageren stoffen elkaar gemakkelijk vinden. Zonder deze katalysator zou de reactie dus veel moeizamer plaats vinden. Professor Frenken en zijn onderzoeksgroep kijken naar de microscopen die alles op atomair niveau kunnen bekijken. katalysator en de stoffen tijdens de reactie. Ze maken gebruik van zeer geavanceerde microscopen  die alles op atomair niveau kunnen bekijken.

Concurrentie
Tussen onderzoeksgroepen gaat het er harder aan toe. Er zijn vaak meningsverschillen over publicaties en onderzoeken die kunnen leiden tot grote ruzies binnen de onderzoekswereld. Dit wordt vooral veroorzaakt doordat verschillende partijen zo graag willen dat hun eigen onderzoek het beste is, dat ze weigeren naar anderen te luisteren. Het is daardoor heel moeilijk om een concurrerende groep te overtuigen van je eigen mening. Maar meningsverschillen kunnen volgens Frenken ook vruchtbaar zijn. Conferenties en artikelen zijn voorbeelden van positieve kritiek. Een belangrijk punt, want dit leidt tot meer verdieping en onderzoek. Tijdens conferenties komen onderzoekers bijeen om te vertellen over hun eigen onderzoek. Verschillende onderzoeksgroepen (onder andere die van Frenken) zoeken elkaar hier op en wisselen resultaten uit. Ook door wetenschappelijke artikelen van anderen te lezen, kun je meer informatie en nieuwe perspectieven over je eigen onderzoeksgebied garen. Prof. Frenken probeert daarom zoveel mogelijk wetenschappelijke artikelen van andere onderzoeksgroepen te lezen om up-to-date te blijven.

De onderzoekswereld is ook een harde wereld op het gebied van onderzoek naar katalyse. Er moet voortdurend vooruitgang geboekt worden en er moet veel gepubliceerd worden. Anders loop je het risico ingehaald te worden door andere onderzoeksgroepen. Professor Frenken en zijn onderzoeksgroep hebben 15 jaar geleden dan ook een heel groot risico genomen, toen zij besloten om voor een periode “ondergronds” te gaan. Zij besloten om het onderzoek naar katalyse op een andere manier aan te pakken, een manier die geen enkele ‘Interface Physics’ onderzoeksgroep tot dan toe had aangedurfd. Zij keken naar de verandering van moleculaire structuren tijdens een chemisch proces om daarover inzicht te verkrijgen. Toentertijd werd er door alle andere onderzoeksgroepen slechts gekeken naar de moleculaire structuren voor en na de reactie en werden katalysatoren gecreëerd door experts met behulp van hun ervaring en intuïtie. Met behulp van heel fijne en precieze microscopen kan de onderzoeksgroep van Frenken naar het verloop van de reactie kijken en zien wat er precies gebeurt met de katalysator. Andere onderzoeksgroepen weten niet wat er nou eigenlijk tijdens de reactie met de katalysator gebeurt, waardoor zij vaak moeten raden naar de vorm van de reactie. Zij  kunnen niet zien hoe ze de reactie kunnen optimaliseren of moeten veranderen. De onderzoeksgroep van Prof. Frenken kan dit wel. Zij willen met behulp van deze nieuwe vorm van onderzoek kijken naar wat een bepaald soort katalysator nou precies doet, om dan de basisregels voor katalyse te kunnen opstellen. Het voorbereiden van dit onderzoek kostte veel tijd en veel geld en er werd gedurende die periode ook niet gepubliceerd. Dit had een doodslag voor ze kunnen zijn, maar het nemen van dit risico bracht uiteindelijk het gewenste resultaat op: de onderzoeksgroep in Leiden heeft nu een hele grote voorsprong op de rest. Professor Frenken & co beschikken nu over betere technieken en nieuwe apparatuur en hebben een voorsprong van tien jaar op de rest. Andere onderzoeksgroepen kijken nog steeds naar het begin en het einde van de katalyse, terwijl Frenken nu naar de reactie in zijn geheel kan kijken.
Omdat hun onderzoek veel succes boekt, komt er concurrentie voor dit onderzoeksgebied bij. Maar dat is volgens Frenken niet erg, omdat het als stimulans werkt. Het is een extra zetje in de rug, om zelf nog beter je best te doen. Zij stimuleren de concurrentie zelfs door de instrumenten die nodig zijn bij hun onderzoek te maken en vervolgens te verkopen aan concurrenten.
 
Een zak vol geld
Voor onderzoek is geld nodig. Aangezien de Universiteit Leiden weinig geld heeft en zij dat moet verdelen over een groot aantal onderzoeksgroepen, moet men ook op zoek gaan naar andere geldbronnen. De Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) is een goede geldschieter, maar de industrie al helemaal. Die staat namelijk te springen om meer kennis op het gebied van nanotechnologie. In de industrie is veel behoefte aan de optimalisering van bestaande technieken. De nanotechnologie biedt vaak een uitkomst. Zo kunnen vaak productieprocessen worden verbeterd. In de chemische industrie verlopen reacties vaak met behulp van een katalysator. Het is voor de industrie dus gunstig om een zo efficiënt mogelijke katalysator te gebruiken. Bedrijven komen dan bij Prof. Frenken en vragen hem om onderzoek te doen naar een specifieke reactie en om een betere katalysator te vinden. Hierdoor krijg hij weer een hoop geld en kan hij weer een onderzoek doen. Het gaat hier vaak om grote bedragen: honderdduizenden euro’s. Dit kost zo veel, omdat deze onderzoeken lang duren en omdat de meetapparatuur erg duur is, zowel om de microscopen te maken, als om ze te onderhouden. Ook moet een groot aantal mensen voor een aantal jaren een salaris krijgen. NWO financiert duizenden toponderzoekers aan universiteiten en instituten en geeft sturing aan de Nederlandse wetenschap via subsidies en onderzoeksprogramma's. Ook de ‘Interface Physics’ groep krijgt geld van deze onafhankelijke organisatie.
 
NWO, bedrijven en andere geldschieters sturen af en toe mensen om te controleren. Dit heeft voor Frenken nog nooit problemen opgeleverd. De controleurs geven vaak juist goede tips die heel nuttig kunnen zijn voor het verdere verloop van het onderzoek. Deze controleurs zijn zelf ook wetenschappers en kunnen een frisse kijk op de zaak geven, die door tunnelvisie van Frenken en zijn collega’s soms over het hoofd wordt gezien. Professor Frenken is door de controleurs al vaker gewezen op ‘een andere kant van de doos’: ‘’Een vierkante doos heeft een voorkant, een achterkant, een bovenkant, een onderkant en twee zijkanten.’’ Je moet een onderzoek zien als een dergelijke doos. Je moet je onderzoek niet alleen van de voorkant bekijken, maar ook van de achterkant en de zijkant. Door zo veel mogelijk verschillende methodes gebruiken, probeer je alle kanten van je doos te bekijken om het wetenschappelijke probleem zo goed mogelijk te begrijpen’, aldus Frenken. Het is natuurlijk moeilijk om alle verschillende meetmethodes te gebruiken. Controleurs kunnen je dus soms op weg helpen, door je te wijzen op nog een andere meetmethode die je ook zou kunnen gebruiken. Het is dus zeer constructief om commentaar van anderen op je onderzoek te krijgen.

Om een onderzoek te kunnen uitvoeren, moet dit eerst worden goedgekeurd door een ethische commissie. Gelukkig wordt onderzoek op het gebied van de nanotechnologie bijna nooit belemmerd door ethische bezwaren. In de natuurkundige wetenschappen worden modellen opgesteld. Dit zijn versimpelde weergaven van de werkelijkheid. Zo probeert Prof. Frenken modellen op te stellen voor verschillende soorten katalysatoren en reacties. Hij doet dit altijd op een manier die ook wel bekend staat als Ockhams scheermes. Dit houdt is dat je de uitleg zo kort en bondig mogelijk houdt en geen onbelangrijke zaken vermeldt. Zo kom je volgens Frenken tot een goed onderzoeksresultaat en houd je de essentie van het onderzoek over. Hoeveel voor- en nadelen er ook aan een onderzoeksproces zitten, één ding is zeker, het excentrieke enthousiasme van professor Frenken zal hem door elke tegenslag heen slepen en zal van elke fout nog iets moois maken.