analyse

‘Grafeen kan het leven van diabetici makkelijker maken'

©Shutterstock

Grafeen is tweehonderd keer sterker dan staal, maar toch flinterdun, hyperflexibel en supergeleidend. En nu blijkt het wondermateriaal ook nog eens compleet anders in te werken op licht dan andere materialen, ontdekte VUB-wetenschapster Nathalie Vermeulen. ‘We hebben een extra deur geopend.’

‘Wat als het antwoord niet ‘meer’ is maar ‘minder’?’ Die vraag haalde VUB-wetenschapster Nathalie Vermeulen anderhalf jaar geleden bruusk uit haar slaap. Ze sloop de kamer uit om in het flauwe licht van de gang haar nachtelijke inval te noteren. Een eurekamoment, weet ze intussen.

Als professor bij Brussels Photonics (B-Phot), de onderzoeksgroep van de VUB gespecialiseerd in lichttechnologie, buigt Vermeulen zich dag in dag uit over min of meer dezelfde kwestie. Ze probeert te achterhalen hoe nieuwe materialen zich gedragen als ze in aanraking komen met verschillende kleuren licht. Absorbeert het materiaal de straling? Wordt ze versterkt? Vindt een lichtverkleuring plaats?

De antwoorden op dat soort vragen lagen in het relatief recente verleden aan de basis van revolutionaire technologieën. Zonder de bevindingen van de fotonica zouden we vandaag geen platte beeldschermen, ledverlichting, zonnepanelen en supersnel internet hebben. De Europese Commissie identificeerde de wetenschapstak niet voor niets als een sleuteltechnologie van de 21ste eeuw.

Maar op de relatie tussen licht en grafeen beet Vermeulen al lang haar tanden stuk. Ze had van de European Research Council 1,5 miljoen euro gekregen om te achterhalen hoe licht zich gedraagt in interactie met het ‘wondermateriaal’ dat 15 jaar geleden aan de universiteit van Manchester werd ontdekt. Behalve oersterk, flinterdun, flexibel en supergeleidend is grafeen een ‘niet-lineair optisch materiaal’. Anders gezegd: grafeen zou in staat moeten zijn lichtbundels van kleur te doen veranderen. Dat moet het mogelijk maken veelkleurige lichtbronnen te ontwikkelen, wat nuttig kan zijn voor medische toepassingen.

Vermeulen moest een antwoord vinden op de vraag hoe die verkleuring precies wordt opgewekt. ‘Eigenlijk dachten we het min of meer te weten. We hebben lang gedacht dat grafeen de kleur van licht op dezelfde manier verandert als andere materialen, dat we dus dezelfde basiswetten konden hanteren. Er waren al meerdere wetenschappelijke papers verschenen die dus dat basisconcept hanteerden. Nu was het aan ons om daar ook bewijs van te leveren.’

Dat bleek gemakkelijker gezegd dan gedaan. ‘Een basisregel in de traditionele zienswijze rond kleuromzetting is dat je licht heel sterk moet focusseren in het materiaal om resultaat te krijgen’, legt Vermeulen uit. ‘Je hebt een hoge lichtintensiteit nodig om van de ene naar de andere golflengte over te kunnen gaan. Dus wat deden wij? We namen grafeen en schenen daar een enorm intense laserbundel op. Steeds intenser. En vervolgens zagen we niets gebeuren. Helemaal niets.’

Je begint niet om 9 uur na te denken om dan om 17 uur te stoppen. Met wetenschap ben je de hele tijd bezig.
Nathalie Vermeulen, wetenschapster

Het uitblijven van resultaten veroorzaakte lichte paniek in Vermeulens team. ‘Zijn we anderhalf miljoen euro aan het verkwanselen?’, vroeg de onderzoekster zich stilletjes af. De inval van die ene nacht bracht raad. ‘Wetenschappelijk onderzoek is een vak dat je niet zomaar afzet’, verklaart Vermeulen de timing van haar inval. ‘Je begint niet om 9 uur na te denken om dan om 17 uur te stoppen. Het blijft sluimeren in je gedachten, bewust of onbewust.’

Op basis van die nachtelijke inval beslisten Vermeulen en haar collega’s van nul te herbeginnen. ‘We legden alles wat we dachten te weten over grafeen opzij, gooiden maandenlang onderzoekswerk in de prullenmand. Maar met die kritische mindset konden we ons andere vragen stellen. Is het wel zo dat je een hoge lichtintensiteit nodig hebt om een andere golflengte te krijgen? En wat bleek: anders dan bij eender welk ander materiaal is zo’n hoge intensiteit niet vereist bij grafeen. Meer zelfs: het bleek veel beter te werken als je met een lage intensiteit werkte.’

Het team gooide zijn experimenten volledig om. Dat leidde tot het bewijs dat grafeen wel degelijk de eigenschappen van licht kan veranderen, maar dan onder totaal andere omstandigheden dan bij klassieke materialen.

©Saskia Vanderstichele

Veelbelovend

Vermeulens onderzoek, dat intussen is gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature, moet de basis vormen om die ene, heel specifieke eigenschap van het wondermateriaal grafeen verder te doorgronden.

‘Dit is een paradigmashift. Als het onderzoek naar licht en grafeen in dezelfde richting was blijven gaan, was het op een bepaald moment tegen een muur gebotst en gestopt’, zegt Vermeulen. ‘Wat wij met ons inzicht hopen te bereiken, is dat het niet stopt. Met deze onverwachte ontdekking hebben als het ware een nieuwe deur geopend. Nu is het hopen dat andere wetenschappers erdoor wandelen en voortbouwen op ons onderzoek. Met een beetje geluk zet dat een stroom aan nieuwe research in gang, waar op termijn concrete toepassingen uit voortvloeien.’

Die mogelijke toepassingen klinken veelbelovend. Grafeen kan zowat met het hele spectrum aan mogelijke lichtstraling interageren, van terahertz tot X-rays, daar waar de klassieke materialen die we kennen maar ‘samenwerken’ met licht uit één bepaald deel van het spectrum. Dat betekent dat het kan dienen als bron om zeer veel verschillende kleuren mee uit te sturen, wat belangrijk is voor bijvoorbeeld medische scans.

‘Bij een echografie worden scans gemaakt op basis van geluidsgolven die worden weerkaatst. Iets gelijkaardigs is mogelijk met scans op basis van licht, zogenaamde OCT-scans’, legt Vermeulen uit. ‘Hoe meer kleuren je kan uitsturen, hoe gedetailleerder zo’n scan kan worden. Sommige golflengten worden geabsorbeerd, sommige weerkaatst. Dat kan je uitlezen. En op basis van die resultaten kan je dan met een kleurenscan een doorsnede van je huid reconstrueren. Dat kan belangrijk zijn. Denk aan huidkanker, waarbij tumoren vaak dicht aan de oppervlakte zitten. Die zou je nooit kunnen detecteren met een echografie, maar met een kleurenscan lukt dat wel.’

Ook diabetespatiënten kunnen baat hebben bij een lichtbron die verschillende kleuren uitstuurt. ‘Als je zo’n lichtbron op je bloedvat laat schijnen, kan je in principe op een volledig optische en dus pijnloze manier je glucoseniveau meten. Geen naalden meer, geen bloedprik, gewoon even schijnen en klaar. Dat zou een enorme stap vooruit betekenen in de behandeling van suikerziekte.’

Het onderzoek van Vermeulen en haar team maakt zulke toepassingen realistischer dan ooit. ‘Om ooit levensvatbaar te worden moet zo’n apparaat best zo compact mogelijk zijn. Nu we weten dat de golflengteconversie met grafeen het best werkt met een lage lichtintensiteit biedt dat mogelijkheden om toepassingen te miniaturiseren. Een minieme fotonische chip met een laagje grafeen op en een minuscule lage-energie laser volstaan in principe om werkende toepassingen te ontwikkelen.’

‘Je kan je dan perfect voorstellen dat zo’n chipje in een horloge wordt gestopt om permanent je glucoseniveau te meten, en automatisch te waarschuwen als er onregelmatigheden zijn. Daar zijn we voor alle duidelijkheid nog niet. Maar dit onderzoek zet ons verder in die richting.’

Pioniersrol

De doorbraak onderstreept de goede reputatie van het fotonicalab B-PHOT in Europa. De VUB speelde zo’n 25 jaar geleden een pioniersrol in de wetenschapstak, met het eerste ‘lichtlabo’ op het Europese vasteland, onder impuls van toponderzoeker Hugo Thienpont. Die overziet vandaag een ploeg van zo’n veertig internationale wetenschappers die nauw samenwerken met de industrie. En de VUB is vastberaden die goede reputatie ook in de toekomst veilig te stellen, getuige de recente opening van de nieuwe fotonicacampus van de VUB in het landelijke Gooik.

Ondanks de pioniersrol die ons land speelde en het stijgende belang van de fotonica in zowat alle gelederen van de maatschappij blijft het bij ons een onderschatte discipline, vindt Vermeulen. ‘Een goed stuk van de wereldeconomie draait vandaag op fotonica. Maar het zit onder de motorkap, mensen kennen het nauwelijks of niet. Als we de mensen zien die bij ons willen werken, is het leuk te merken dat we internationaal goed in de markt liggen. Maar soms denken we ook: ‘Waar blijft de lokale interesse?’’

B-PHOT probeert die wel aan te wakkeren in onze contreien. ‘Voor scholen hebben we een Photonics Explorer Kit ontwikkeld, een soort lab in een doos met allerlei fotonische toepassingen waarmee leerlingen kunnen experimenteren. We leiden leerkrachten ook op om er goed mee te werken. In de hoop dat er straks meer leerlingen fotonica willen studeren, ja. Maar ook om de algemene interesse in wetenschap aan te wakkeren en komaf te maken met de clichés. Van wetenschappers en ingenieurs wordt nog te vaak gedacht dat ze een dikke bril dragen en op geitenwollen sokken naar het labo trekken. Onzin, natuurlijk.’

Bij Vermeulen wakkerde een begeesterde leerkracht fysica in de middelbare school de interesse in wetenschap aan. ‘Je hebt zo van die kinderen die, vanaf ze een schroevendraaier kunnen vasthouden, dingen uit elkaar beginnen te vijzen om te weten hoe ze in elkaar steken. Geboren ingenieurs. Zo was ik niet. (lacht) Ik was meer een stille observator, in veel dingen geïnteresseerd, maar dan vanop de achtergrond. Pas toen die leerkracht fysica les begon te geven over supernova’s - ineenstortende sterren - ontdekte ik dat wetenschap mijn ding was. Hij zette ons aan dieper te graven dan onze cursus. Dat was nieuw voor mij. Creativiteit wordt meestal met kunst geassocieerd, maar ik vond dat terug in mijn werk als ingenieur en onderzoeker. Kennis vergaren, en die gebruiken om dingen te ontwikkelen.’

Vliegtuigvleugels

Dat licht het potentieel heeft om totaal nieuwe dingen te helpen ontwikkelen, vind ik razend fascinerend.
Nathalie Vermeulen

Hoe Vermeulen uiteindelijk bij fotonica uitkwam? ‘Pure nieuwsgierigheid. Ik had via via gehoord dat je in de opleiding burgerlijk ingenieur aan de VUB ‘iets met licht’ kon studeren. Dat snapte ik niet goed, maar het intrigeerde me wel. Dat licht het potentieel heeft om totaal nieuwe dingen te helpen ontwikkelen vond ik razend fascinerend.’

‘Wist je dat fotonica tegenwoordig zelfs in vliegtuigvleugels kan worden gebruikt?’, vraagt ze enthousiast. ‘Het is een project waar onze onderzoeksgroep bij betrokken is. Als een vliegtuig opstijgt, staan de vleugels onder enorme druk. Daarom bekijken onderzoekers hoe dat kan worden gemonitord. Tot voor kort wilden ze daar elektrische kabels voor gebruiken, die erg zwaar zijn. Nu kan je de druk meten met flinterdunne glasvezels, waarover lichtsignalen worden gestuurd. Die optische oplossing zou de vleugels lichter en veiliger maken, en vliegtuigen minder kerosine doen verbruiken.’

Met grafeen zijn nog andere fotonicatoepassingen mogelijk. ‘Denk aan camera’s’, zegt Vermeulen. ‘Nu heb je verschillende soorten camera’s voor verschillende soorten straling. Er zijn camera’s die daglicht capteren voor foto’s of video’s, camera’s die hittebeelden kunnen maken, x-raycamera’s en nightvisioncamera’s. Allemaal aparte apparaten, die vaak erg duur zijn. Omdat grafeen gevoelig is aan al die soorten straling kan je er in principe camera’s mee maken die alles kunnen. Er wordt volop ingezet om daar verder mee te gaan. Straks kan je misschien gewoon warmtelekken in de isolatie van je huis opsporen met de camera van je smartphone.’

Maar Vermeulen wil ook de algemene hoerastemming rond grafeen relativeren. ‘Een collega drukte het onlangs goed uit. Hij zei dat grafeenonderzoek een beetje de Far West van de wetenschap is: er wordt nogal wild in het rond geschoten, en vaak in de foute richting. Met papers als de onze kunnen we hopelijk ons steentje bijdragen om verder onderzoek op de rails te krijgen, in de juiste richting.’

Lees verder

Advertentie
Advertentie
Advertentie
Advertentie

Gesponsorde inhoud

Partner content