Wetenschap

Marleen Kamperman aapt wonderen uit de natuur na

Gekkolijm en vuilafstotende magneten

Gekko’s en mosselen hebben oplossingen voor problemen waar mensen nog altijd mee worstelen. Marleen Kamperman ontwerpt nieuwe materialen die het bijzondere vermogen van deze dieren na-apen. ‘Ik haal letterlijk inspiratie uit de natuur.’
Door Felien van Kooij / Foto Rudy and Peter Skitterians via Pixabay

Heb je wel eens een gekko langs een muur omhoog zien kruipen? Eenmaal bovenaan kruipt hij net zo makkelijk door op het plafond. Gekko’s tarten de zwaartekracht door middel van het omkeerbare hechtvermogen aan de onderkant van hun pootjes. Het geheim van deze superkracht zit hem in de miljoenen kleine haartjes aan de onderkant van hun tenen die zich vastgrijpen aan de ondergrond.

Deze kleine hagedissen inspireerden Marleen Kamperman, hoogleraar polymeerchemie, ertoe om een synthetisch materiaal te maken dat lijkt op die haartjes onder hun voeten. Ze wilde een industriële lijm maken die heel erg sterk is, maar tegelijkertijd heel makkelijk weer los te maken. Ze deed een postdoc in Duitsland en de natuur werd haar muze. ‘Ik heb biologische systemen altijd al fascinerend gevonden en ik vind het leuk om nieuwe materialen te maken’, zegt ze. ‘De onderzoeksgroep in Duitsland was bezig om gekkolijm te maken, dus daar kon ik mooi bij aansluiten.’

Gekko’s zijn niet de enige dieren die fantastische oplossingen voor moeilijke problemen hebben. De afgelopen paar jaar heeft Kamperman zich gericht op een ander diertje dat zich graag aan dingen vastlijmt: de mossel.

Mossel  

Mosselen kunnen overleven in de ruige zee omdat ze lijm aanmaken die onderwater plakt, waardoor het dier zich aan rotsen of de romp van een schip kan vasthechten. ‘Het is een van de dieren die me inspireerden tot het ontwerpen van technologie die het gebruik van lijm onder natte omstandigheden mogelijk maakt’, legt ze uit. Een ander dier dat haar inspireerde is de borstelworm – een kleine worm met harige tentakels die in de oceaan leeft.

Allerlei verschillende soorten bedrijven, van de scheepvaartindustrie tot ziekenhuizen, zouden de technologie om onderwater te kunnen lijmen heel graag hebben. Helaas is het tot nu toe bijna onmogelijk gebleken om deze te ontwikkelen. Water werkt als een barrière, waardoor de lijm zich niet aan een oppervlak kan hechten. Sommige lijm reageert ook snel op water, waardoor het hard wordt voordat het ergens aan plakt.

We nemen alleen de essentie over om de polymeren te laten werken

Kamperman en haar team onderzochten welke moleculen verantwoordelijk waren voor de waterbestendige plakkerigheid van mossellijm. De lijm bestaat uit lange eiwitketens met een specifiek aminozuur: 3,4-dihydroxyphenyl-L-alanine. Het lijkt erop dat dit aminozuur de plakkerigheid veroorzaakt.

Kamperman besloot een kunstmatige versie van deze ketens, ook wel polymeren geheten, te maken. Maar de moleculen in de kunstmatige keten zijn veel simpeler dan de eiwitten in de mosselen. ‘We nemen alleen de essentie over om de polymeren te laten werken’, legt ze uit. ‘Ik haal letterlijk inspiratie uit de natuur.’

Toepassingen

Er zijn ontzettend veel mogelijke toepassingen voor waterbestendige lijm. Dokters zouden interne wonden kunnen repareren met lijm in plaats van hechtingen. ‘Maar er bleken meerdere industrieën te zijn die problemen hadden met lijmen onderwater’, zegt Kamperman. Toen de zakenwereld hoorde wat ze aan het doen was, begonnen de e-mails binnen te stromen.

Een van de bedrijven die contact met haar opnamen was AquaBattery, een onderneming die duurzame ‘blauwe’ energie opwekt op de Afsluitdijk. Ze gebruiken het zoute water in de Waddenzee aan de ene kant en het zoete water in het IJsselmeer aan de andere kant. ‘Watermembranen vervoeren ionen van zout naar zoet water, waarbij elektriciteit wordt opgewekt. Deze membranen moeten aan elkaar vastgelijmd worden, maar ze zwellen op als ze nat worden. Het zou dus makkelijker zijn om ze pas aan elkaar vast te lijmen als ze bol staan.’

Bedrijven die algen kweken voor biodiesel zijn ook geïnteresseerd. Nu worden de algen nog met de hand aan een touw vastgebonden, wat een tijdrovend proces is. Kamperman: ‘Het zou veel sneller zijn om ze aan het touw vast te lijmen. Maar als je normale lijm gebruikt, raak je 95 procent van de planten kwijt in de zee.’

Afbreken

Kamperman haalt ook inspiratie uit de bijzondere manier waarop de natuur biomassa afbreekt en hergebruikt. Ze zou dit heel graag in haar onderzoek willen opnemen. ‘We moeten goed nadenken wat er met materiaal gebeurt als het na bijvoorbeeld twintig jaar geen nut meer heeft’, zegt ze. ‘We zouden eigenlijk alleen bouwstenen moeten gebruiken die we kunnen afbreken.’

We moeten alleen bouwstenen gebruiken die we kunnen afbreken

Ze doet daarom ook mee aan een project dat een herbruikbare coating wil creëren die oppervlakken schoon houdt door vuil af te stoten. Zo’n coating zou handig zijn voor de buitenkant van gebouwen of de romp van een schip. Maar het is heel moeilijk om een universele coating te ontwerpen die vuil net zo goed afstoot als bijvoorbeeld insecten. ‘Het is waarschijnlijk een beter idee om een coating te ontwerpen waarbij je de vieze laag makkelijk kan verwijderen, zodat je een nieuwe laag kan aanbrengen’, zegt Kamperman.

Magnetische coating

Haar onderzoeksgroep werkt daarom samen met een groep van de Universiteit Twente om een coating te ontwerpen die lijkt op twee magneten die aan elkaar vastzitten. De onderste laag, met een negatieve lading, zit permanent vast aan het oppervlak, en de positief geladen laag zit daar weer bovenop. Door externe omstandigheden zoals de zuurgraad te veranderen kan de lading van de bovenste laag veranderd worden, waardoor de twee lagen elkaar afstoten zoals magneten dat doen.

Idealiter zijn de polymeren in de vieze laag biologisch afbreekbaar. ‘Net als in de natuur. We kunnen het beste polymeren gebruiken die helemaal afgebroken worden tot hun oorspronkelijke bouwstenen, zodat we ze weer in nieuwe reeksen polymeren kunnen gebruiken’, zegt Kamperman.

Het onderzoek bevindt zich nog in een vroeg stadium, en Kamperman realiseert zich dat het jaren zal duren voordat er een commercieel product op de markt is. Maar ze is geduldig en optimistisch. ‘We zijn nu bezig met het ontwikkelen van de eerste laag, en het lijkt er tot nu toe op dat het gaat werken.’

Vertaling Sarah van Steenderen

English