“Grote kans dat je vandaag al een of meerdere slimme polymeren hebt gebruikt”, grinnikt een enthousiaste Guido Kusters, terwijl hij kort met zijn hand zijn haar aanraakt. “Zoals haargel. Dat is zacht en kneedbaar wanneer je het uit de tube knijpt, maar eenmaal in je haar verhardt het zodat je kapsel de rest van de dag stevig in model blijft. Deze materialen zijn dus in de basis zacht, wat we kennen van bijvoorbeeld elastiek, tandpasta, of een plastic verpakking.” Kusters legt uit dat zachte materialen vaak een eenduidige functie hebben. Zo vormt een plastic verpakking een afscheiding tussen het product en zijn omgeving. Maar juist omdat ze makkelijk kunnen vervormen, zijn ze erg geschikt voor complexere functies waarbij ze bijvoorbeeld kunnen inspelen op veranderingen in de omgeving. En dan spreken we van zachte responsieve materialen, zegt Kusters; de materialen waaraan hij de afgelopen vier jaar intensief onderzoek heeft gedaan.

Toegankelijke methode

In plaats van uren in het lab zat Kusters vooral achter zijn laptop. Met een duidelijke missie: hij wilde de ontwikkeling van slimme polymeren efficiënter maken met behulp van wiskundige modellen. Maar leren we niet juist meer door experimenteel aan het werk te gaan? “Als het zo makkelijk in een lab zou kunnen, dan zouden we dat wel doen”, benadrukt Kusters. “Vaak hebben we te maken met zeer kostbare materialen en langdurige proeven. Even snel iets uittesten is er dan niet bij. Zeker voor de optimalisatie van slimme polymeren kan een rekenmodel sneller duiding geven op welk vlak je een materiaal kunt verbeteren.”

Hij is zeker niet de eerste die slimme polymeren in een model probeert te gieten, zegt Kusters. Toch is zijn aanpak uniek, mede doordat zijn project onderdeel is van een groot onderzoeksconsortium – Soft Advanced Materials. Daarin werken meerdere universiteiten en onderzoeksinstituten samen, maar ook verschillende industriële partners. “Bij eerdere modellen werden er veel complexere mechanismen bij betrokken, op een numerieke manier. Dat is heel secuur, maar je moet wel iedere keer een ingewikkelde berekening laten uitvoeren. Onze nieuwe methode van modelleren is veel toegankelijker en bovendien generiek toepasbaar. Daardoor kan het ook in het bedrijfsleven sneller gebruikt worden.”

Kunstmestkorrel

Kusters reikt naar een zakje dat hij op zijn bureau heeft liggen, net naast zijn lijvige proefschrift. “Een model maken is één, maar ik wilde ook graag laten zien dat dit model voor heel veel slimme polymeren te gebruiken is. Van relatief simpele polymeermaterialen, tot aan meer biologische structuren. Ik heb echt de breedte gezocht.” Het zakje is intussen open en Kusters haalt er enkele kleine korrels uit. “Samenwerkingspartner Corbion produceert deze ureumkorrels, die gebruikt worden in de grootschalige landbouw. Normaal komen voedingsstoffen tegelijkertijd vrij. Maar een geleidelijke afgifte zou voor plant en milieu veel wenselijker zijn. Dat kan door de korrels te omhullen met een slimme polymeercoating.” Het idee klinkt simpel, vertelt hij. “In een vochtige omgeving zet het polymeerlaagje uit waardoor het poreus wordt. Meststoffen kunnen dan oplossen in het water en vrijkomen. Maar de grote uitdaging is om het afgifteprofiel van die polymeerlaagjes te laten aan sluiten op de behoeftes van de gewassen. En dat kan alleen als we meer van het gedrag van de polymeercoating begrijpen.”

Het model van Kusters bood inzicht. “Een kunstmestkorrel moet tijdens de gehele plantcyclus voedingsstoffen vrijgeven, zeker een half jaar. Praktische experimenten zijn dus zeer tijdrovend. We hebben bekeken welke mechanismen belangrijk zijn voor de afgifte. De dikte van de coating, hoe het water door de gangetjes loopt, hoe kristallijn het gebruikte polymeer is. In mijn model kun je nu aanpassingen doen aan de polymeercoating en direct zien wat er aan de afgifte verandert.”

Hersenkronkels

Naast de ureumkorrel ‘stopte’ Kusters nog veel meer in zijn model. “Ik raakte geïnspireerd door de slimme polymeren die binnen de CEC-onderzoeksgroep Stimuli-responsive Functional Materials and Devices ontwikkeld worden. Zoals de trillende coating om zonnecellen of mogelijk een Marsrover zelfstandig te reinigen. Welk mechanisme zit hier nu precies achter? En hoe kunnen we bepaalde bewegingen voorprogrammeren?” Hij bracht vier maanden door op Harvard, om mee te werken aan het maken van een nieuw materiaal, gebaseerd op biologische weefsels. Of de mini-breintjes, een project dat hij overhield aan connecties tijdens zijn masterstage aan de Oxford University. “De randen van een kunstmatig minibrein op een chip vormen na verloop van tijd steeds meer rimpelingen. Die zijn in ons eigen kronkelige brein essentieel om het goed te laten functioneren. Door een genetische afwijking – lissencephalie, letterlijk: gladde hersenen, red. –  kan een verminderde rimpeling optreden, wat kan leiden tot mentale afwijkingen. We willen graag ons model inzetten om zicht te krijgen op rimpelvorming in de hersenen, en mogelijk zelfs te gebruiken om dergelijke afwijkingen in een vroeg stadium te kunnen diagnosticeren.” Maar, benadrukt hij, “dat is nog echt toekomstmuziek.”

De beschrijving van een ogenschijnlijk breed scala aan toepassingen in zijn proefschrift is volgens Kusters “zeker niet zonder reden”. “We kunnen laten zien dat je met deze relatief generieke aanpak heel veel verschillende zachte responsieve materialen kunt beschrijven. En minstens zo belangrijk: daar vervolgens nuttige conclusies uit trekken. Voor iedereen die zich afvraagt waarom we modelleren. Dát is nu de kracht van ons model.”