Jurriaan Huskens is op zoek naar een universele methode om nanostructuren op een oppervlak te maken. Het onderzoek van de jonge Twentse hoogleraar is bekroond met de Gouden KNCV-Medaille.
Sinds 1963 reikt de KNCV de Gouden Medaille uit aan de beste jonge onderzoeker werkzaam in Nederland. De prijs beloont ‘chemisch speurwerk in de breedste zin’ en is een goede indicator gebleken voor een glanzende academische carrière. Dit jaar kent de KNCV de Gouden Medaille toe aan Jurriaan Huskens, sinds twee jaar hoogleraar moleculaire nanofabricage aan de Universiteit Twente.
Het juryrapport spreekt van ‘een zeer begaafde jonge wetenschapper, die reeds op 39-jarige leeftijd een bijzonder imposante staat van dienst heeft’. Op basis van meer dan 120 publicaties, goed voor bijna 2.400 citaties, stelt de jury dat Huskens zich heeft ontwikkeld tot een inspirerende onderzoeksleider van een zeer succesvolle en snelgroeiende groep.
Huskens is werkzaam bij het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente. Binnen dit nanotechnologisch onderzoekscentrum is Huskens programmadirecteur nanofabricage. Traditioneel maakt chemie moleculen met afmetingen van enkele tienden van een nanometer. De chipindustrie gebruikt lithografische technieken om chips met afmetingen van tientallen nanometers te maken. Nanofabricage wil het gat tussen de bottom-up- en de top-downaanpak opvullen.
In je oratie beschrijf je nanofabricage als de tak van sport die algemene methoden ontwikkelt om nanostructuren te maken. In hoeverre lukt dat?
“We zijn hard aan het werk. Onlangs zijn we begonnen met nano-imprintlithografie. Het idee van die vorm van ‘alternatieve’ lithografie is dat je een harde stempel in een polymeerlaag drukt en daar een reliëfpatroon maakt. Dan heb je een oppervlak met blokjes polymeer daarop in het gewenste patroon. Er zit nog wel een dun polymeerlaagje tussen de blokjes, maar dat is eenvoudig weg te etsen. Op het vrijgekomen oppervlak kun je vervolgens een monolaag aanbrengen. Daarna verwijder je de blokjes polymeer en is het mogelijk op die plekken iets anders aan het oppervlak laten hechten. Op deze wijze zijn eenvoudig structuren met een resolutie van 100 nm te maken. We zijn met deze techniek al tot 20 nm gegaan. Imprint zelf is niet de beperkende factor. Wel is de fabricage van de mal lastig.”
Hoe maak je zo’n mal?
“Het is een replicatietechniek, dus je kunt je permitteren een dure of langzame techniek te gebruiken om de mal te maken. Als je eenmaal de mal hebt, kun je daarvan met imprint op een goedkope en snelle manier heel veel kopieën maken. Maar je kunt met dezelfde mal ook makkelijk de dikte, het materiaal of het substraat variëren. We gebruiken bijvoorbeeld imprintlithografie om stempels te maken om contactprinting mee te doen.”
Sorry, imprintlithografie om stempels te maken om contactprinting mee te doen?
“Contactprinten is gewoon stempelen op nanoschaal. Een van de problemen hiermee is dat je een molecuul van het stempel naar het oppervlak overdraagt. De moleculen verspreiden zich over het vlak en vormen zo een monolaag. Door diffusie in het vlak worden echter de patronen altijd groter dan je wilt, met name bij heel kleine structuren. We hebben een methode gevonden om contactprinten te verbeteren. We gebruiken vlakke stempels die geen reliëf meer hebben, maar zijn voorzien van chemische patronen op het oppervlak. Het voordeel is dat de vlakke stempel overal contact maakt, je drukt dus geen moleculen onder het stempelpatroon zijwaarts. Bovendien vervormt de stempel minder bij het contactprinten.
Deze methode werkt heel mooi. Alleen heb je het probleem van het printen vertaald naar het maken van een stempel. Wat je bijvoorbeeld kunt doen is een membraan met gaten als masker gebruiken voor de stempel zelf. Maar de gaten kunnen niet kleiner dan 200 tot 300 nm worden gemaakt. Daarom zijn we naar imprintlithografie gegaan om de stempels te maken. Dat lukt voor kleine substraten al heel aardig met een drukpers waar je normaal infraroodtablets mee maakt. Voor minder dan 5.000 euro kun je meteen aan de slag. Voor grote oppervlakken, bijvoorbeeld hele wafers, heb je wel apparatuur nodig. We hebben nu een zeer fraai ‘wagenpark’ bij MESA+.”
Welke eigenschappen moeten de nanostructuren hebben die je zo bouwt? Ben je op zoek naar elektrische geleidbaarheid? Of specifieke katalytische eigenschappen?
“We zijn meer op zoek naar universele technieken. Ons werkpaard is cyclodextrine. Dit torusvormige molecuul kost bijna niks, want het wordt op tonschaal geproduceerd. In Japan gebruikt men cyclodextrine in visfolies om geurstoffen af te vangen. Het complexeert de kleine organische geurstofmoleculen.
Wij proberen met cyclodextrines een algemeen toepasbaar productieplatform te bouwen waarmee je alle mogelijke building blocks op een oppervlak kunt zetten.”
Uit je oratie proefde ik een beetje dat je je geringeloord voelt door de geldschieters door al te nauwe programmatische invulling. Klopt dat?
“Nee, ik mag eigenlijk helemaal niet klagen. Geld is de minste van mijn zorgen. In Nederland wordt wel eindeloos gecontroleerd. Gegeven de enorme competitie en strijd die er is om universitair docent te worden en daarna weer om hoogleraar te worden, is het toch een beetje raar dat als je bewezen hebt tot de besten te behoren je niet automatisch geld krijgt.
Tegelijkertijd is er een hang naar maatschappelijke relevantie waarbij elke euro die aan onderzoek wordt uitgegeven economisch rendement moet hebben. De grootste wetenschappelijke en maatschappelijke veranderingen zijn niet voortgekomen uit toegepast onderzoek. Die zijn ontstaan door mensen die lak hadden aan wat anderen zeiden en hun eigen weg zijn gegaan. Innovaties zijn niet te vangen in harde sturing van bovenaf. Je kunt hooguit condities creëren waarin mensen creatief kunnen zijn en zich dus juist niet bezig hoeven te houden met de vraag of ze over een maand ook nog een aio kunnen betalen. Wat dat betreft snap ik het af toe niet.”
Kernconcept in je onderzoek is multivalente binding. Wat betekent dat precies?
“Dat hoort bij mijn tweede onderzoekslijn, de supramoleculaire chemie van oppervlakken. In het algemeen heb je een oppervlak bezet met receptoren, wij gebruiken dus cyclodextrines. Hieraan kun je allerlei moleculen binden. Deze gastheer/gastinteractie is vrij zwak. Het idee van multivalentie is dat je een gast neemt die tegelijkertijd aan meerdere receptoren hecht. Dat kun je ontwerpen en daarmee kun je vrij exact de bindingssterkte tussen je gast en gastheer naar wens instellen. Je kunt dus zeer dynamische of kinetisch stabiele systemen maken. Op het moment willen we eiwitten hechten. We maken een linker die het eiwit herkent én bindt aan het oppervlak.
Voor allerlei toepassingen – denk aan proteomics – is het interessant om eiwitten op een oppervlak te zetten. Dit is echter problematisch omdat elk eiwit weer anders is, met verschillende hydrofobe stukken, wisselende ladingsverdelingen, een andere gevoeligheid voor allerlei media et cetera. Er is nog geen universele techniek om eiwitten op een oppervlak te zetten. Met cyclodextrine vertaal je het hechtingsprobleem naar het ontwerpen van de juiste linker, iets wat een chemicus bij uitstek kan.”
Kun je op elke gewenste plek in het eiwit deze linker zetten?
“Dat hangt van het eiwit af. We werken nu met histidinetags. Dat is de standaardmethode om industrieel eiwitten te zuiveren. Men bouwt de tag in die hecht aan nikkelcomplexen. Over een kolom vis je dan het eiwit eruit. Samen met een groep in Frankfurt kijken we naar het proteasoomcomplex. Dat is een heel groot eiwitcomplex dat fungeert als complete afvalverwerkingsfabriek in de cel. Het complex verknipt kapotte of gebruikte eiwitten. De oriëntatie van dit complex, en daarmee ook de functie, kunnen we controleren bij de hechting op een oppervlak.
Met Clemens van Blitterswijk (UT, red.) willen we samenwerken op het gebied van tissue engineering. We kijken of we hele cellen kunnen hechten. Kun je cellen laten groeien? Kun je stamcellen laten differentiëren? Wat is de invloed van de lokale topologie? Dat zijn heel interessante vragen.”
FEITELIJK
De vijf beste publicaties van Jurriaan Huskens volgens hemzelf:
Molecular Printboards as a General Platform for Protein Immobilization: A Supramolecular Solution to Nonspecific Adsorption, Angew. Chem. Int Ed. 2007, 46, 4104.
Intravesicular and Intervesiculair Interaction by Orthogonal Multivalent Host-Guest and Metal-Ligand Complexation, PNAS 2007, 104, 6986.
Directed Assembly of Nanoparticles onto Polymer-Imprinted or Chemically Patterned Templates Fabricated by Nanoimprint Lithography, Adv. Mater. 2005, 17, 2718.
Chemically Patterned Flat Stamps for Microcontact Printing, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10344.
Supramolecular Layer-by-Layer Assembly: Alternating Adsorptions of Guest- and Host-Functionalized Molecules and Particles Using Multivalent Supramolecular Interactions, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7594.
Alexander Duyndam, C2W22 2007
