Maar liefst 23 topwetenschappers van Nederlandse onderzoeksinstellingen hebben een Advanced Grant van de Europese Onderzoeksraad in de wacht gesleept. Wetenschappers aan de Radboud Universiteit haalden de meeste beurzen binnen: zes in totaal. Ook Wageningen en Twente scoren goed met ieder drie beurzen.

De persoonsgebonden beurzen lopen op tot 2,5 miljoen euro, maar kunnen in uitzonderlijke gevallen - bijvoorbeeld voor de aanschaf van grote apparatuur - worden opgeschroefd tot 3,5 miljoen euro. Dit is onder meer het geval bij Jaap den Toonder van de TU/e, die drie miljoen krijgt. In totaal keerde de Europese Onderzoeksraad 540 miljoen euro uit aan 222 wetenschappers.

Het Verenigd Koninkrijk scoort dit jaar wederom het best met 47 beurzen, gevolgd door Duitsland (32) en Frankrijk (31). Nederland staat met zijn 23 beurzen op de vierde plaats. (bericht: HOP)

Bijna elk proces in de biologie, van embryonale ontwikkeling tot het functioneren van organen en het ontstaan van ziekten, is gestoeld op biomechanische interacties tussen cellen en hun omgeving. Begrijpen we die interacties, dan kunnen we ook bijvoorbeeld het uitzaaien van tumorcellen of het broos worden van botten beter begrijpen. De krachten en stromingen tussen cellen worden vaak onderzocht door vloeistofstromingen na te bootsen met kleppen en pompen, maar daarmee kun je niet de precisie en controle bereiken die nodig zijn om verdere stappen te maken in dit onderzoek.

Gesynchroniseerde beweging

Trilharen inspireerden Den Toonder om een nieuw systeem te bouwen, waarmee je heel precies deze krachten en stromingen in een laboratorium-omgeving kunt beheersen en bestuderen. Trilharen, ofwel cilia, zijn ultradunne microscopische haartjes, die zich dicht opeengepakt bewegen als een menigte die de wave doet in een stadion. Cilia komen overal in de natuur voor, ook in ons menselijk lichaam waar ze een belangrijke rol vervullen. Hun gesynchroniseerde beweging helpt bijvoorbeeld slijm uit de longen te verwijderen en vervoert eicellen uit de eierstokken richting baarmoeder. Door te regelen hoe de vloeistof rond een embryo stroomt, zorgen trilhaartjes er zelfs voor dat organen zoals het hart zich aan de juiste kant van het lichaam ontwikkelen.

Net als echte trilharen moeten de kunstmatige haartjes, na een omgevingssignaal, een stroming in een vloeistof kunnen initiëren of mechanische krachten kunnen uitoefenen op hun omgeving. Daarna moeten ze de reactiekrachten vanuit de omgeving kunnen waarnemen - en dat allemaal in hetzelfde haartje. Den Toonder: “De cilia die wij willen bouwen, bestaan uit flexibele polymeren met magnetische nano-deeltjes. Door ze te activeren met een elektromagneet, kunnen we de haartjes heel lokaal laten bewegen precies zoals wij dat willen. Daarmee genereren we een stroming in de omliggende vloeistof, of krachten op cellen die we kweken in de nabijheid van de trilhaartjes. De biomechanische respons van de cellen willen we vervolgens heel nauwkeurig meten.”

Mal van glas

De trilharen die Den Toonder wil bouwen, zijn maar tien micrometer lang en niet dikker dan één micrometer. Bovendien wil hij de haartjes heel dicht op elkaar plaatsen en ze precies de juiste flexibiliteit meegeven om goed te kunnen bewegen ten gevolge van de magneetvelden.

Om ze te bouwen heeft Den Toonder een gloednieuwe laser nodig met een klein brandpunt en ultrakorte pulsen. De laser schrijft op microschaal zeer precieze structuren in een glasplaat, die vervolgens als mal dient waarmee de cilia door middel van een gietproces worden gevormd. Die haartjes plaatst Den Toonder daarna in een zogenoemde microfluïdische chip, een stukje kunststof met kleine vloeistofkanaaltjes, waarin ook cellen en weefsels kunnen worden gekweekt.

“We kunnen het patroon waarin we de haartjes in de chip aanbrengen, variëren. Zo maken we voor elk biomechanisch proces dat we willen bestuderen een specifieke chip. Vergelijk het bijvoorbeeld met een cd en cd-speler. De cd is de chip, deze is uitwisselbaar. De cd-speler is ons hele systeem van electromagneet, aansturing en meetapparatuur”, aldus Den Toonder.

Lees hieronder meer over het onderzoek van en de ERC-grant voor Erik Bakkers.

De toekenning van Erik Bakkers bouwt voort op zijn zeer succesvolle ERC Consolidator Grant van 2013. Met die beurs presenteerde hij in 2017 een geavanceerde kwantumchip met nano-hashtags (animatie) en daarmee in 2018 de langverwachte zero-bias-piek, die exact dezelfde hoogte heeft als werd voorspeld door de Majorana-theorie.

Bakkers: “Die resultaten zijn extreem belangrijk, maar lieten ons ook zien dat de huidige combinatie van halfgeleider (indiumantimonide) en supergeleider (aluminium) niet ideaal is voor de volgende stap in Majorana-onderzoek.” De overgang tussen deze twee materialen is namelijk niet heel scherp, omdat het aluminium chemisch reageert met het indiumantimonide. Daarnaast zijn er hoge magneetvelden nodig om in de vereiste topologische toestand te komen, dat is erg moeilijk. De topologie moet het Majorana-deeltje namelijk beschermen, waardoor het veel stabieler is dan andere kwantumtoestanden.

Robuust kristalrooster

Met de Advanced Grant wil Bakkers daarom een nieuwe materiaalcombinatie ontwikkelen: topologische kristallijne isolator nanodraden van tintelluride gekoppeld aan de supergeleider lood. Dit materiaal is van nature in een topologische toestand, die wordt gevormd door de symmetrie van het kristalrooster. Omdat het kristalrooster van dit materiaal heel eenvoudig is, hetzelfde als dat van keukenzout, is alles veel meer robuust. Lood is bovendien een sterkere supergeleider dan aluminium en deze combinatie moet het eenvoudiger maken om Majorana-toestanden te vinden en te manipuleren.

Bakkers start het onderzoek met het groeien van hoge kwaliteit tintelluride-nanodraden. Voor dit groeiproces wil hij bovendien een groeistrategie inzetten die nog niet eerder is gebruikt voor deze materialen. Namelijk een hoog-vacuumtechniek (Molecular Beam Epitaxy), dat moeten zorgen voor extreem zuiver materiaal.

Teleporteren van eigenschappen

“De resultaten uit het eerdere ERC-onderzoek gaven al sterke signalen voor de aanwezigheid van Majorana-deeltjes. Maar om het bestaan echt te kunnen aantonen, moeten twee dingen bewezen worden: teleportatie en vervlechting. Met deze Advanced Grant wil ik teleportatie bewijzen”, aldus Bakkers. Hiervoor moet een verstrengeld deeltjes-paar aan beide kanten van de nanodraad verschijnen en deze toestanden moeten gekoppeld zijn.

Bakkers: “Als ik bijvoorbeeld het elektrisch veld aan de ene kant wijzig, moet tegelijkertijd het deeltje aan de andere kant dezelfde wijziging vertonen.” Kwantumteleportatie vormt de basis van de qubit, de bouwsteen van de Majorana-kwantumcomputer. “Die toepassing staat aan de verre horizon”, aldus Bakkers.