Tien uitdagingen voor de chemie:
De KNAW heeft zich bij het formuleren van de Nederlandse Wetenschapsagenda laten inspireren door het wetenschappelijke tijdschrift Science. Dat publiceerde in 2005 ter gelegenheid van zijn 125e verjaardag een opsomming van maar liefst 125 vragen; grote openstaande vragen waarvoor de wetenschap zich op dat moment geplaatst zag. Deze vragen vormden een weerslag van de verwachtingen, fascinatie, verwondering en nieuwsgierigheid van de wetenschappelijke wereld zelf: waar gaan de grote stappen vooruit gezet worden in de wetenschap? Waar liggen de uitdagingen in de komende tien, twintig jaar?
De KNAW, het hoogste wetenschappelijke orgaan van Nederland, voerde een vergelijkbare verkenning uit onder Nederlandse wetenschappers. De Nederlandse Wetenschapsagenda is daarvan het resultaat. Deze geeft, zo stelt de KNAW, de wetenschap een stem. Het is de wetenschap zelf die in de Wetenschapsagenda verwoordt waar de kansen liggen om onze kennis en inzichten een beslissende stap voorwaarts te laten maken.
Betrekken we dit op de chemie, dan leidt dat tot een tiental grote vragen. Samen bieden ze een interessante tour d’horizon langs het Nederlandse onderzoek in de scheikunde:
Het licht dat van de zon op de planeet aarde schijnt, is in theorie genoeg om de hele wereld van schone en duurzame energie te voorzien. Maar in de praktijk kunnen we zonne-energie nog niet rendabel omzetten naar beter bruikbare vormen. Om de kloof tussen theorie en praktijk te overbruggen, zijn grote wetenschappelijke doorbraken nodig.
Chemische processen die zich afspelen in levende cellen zijn in het verleden ontrafeld doordat biochemici ze imiteerden in de steriele omgeving van de reageerbuis. Nieuwe soorten microscopen gaan het mogelijk maken om plaatjes te schieten van diezelfde reacties terwijl ze zich afspelen in de levende cel. Hoe werkt biochemie écht, in de complexe realiteit van het leven?
Complete bouwpakketten voor cellen zijn er nog lang niet – de echte wetenschappelijke kwesties zijn voorlopig nog heel wat bescheidener, maar niet minder intrigerend. Kunnen we een levende cel zo verbouwen dat die nieuwe taken voor ons kan uitvoeren? Kunnen we losse onderdelen van levende cellen gebruiken voor de bouw van nieuwe materialen en misschien zelfs apparaten?
Chips worden niet alleen meer gebruikt om computers te laten rekenen; wetenschappers bouwen tegenwoordig ook chips waarop ze biologische cellen nauwkeurig kunnen volgen. Via ragfijne kanaaltjes wisselen die cellen onderling stoffen en signalen uit. Kunnen we in de toekomst chips maken die kleine ‘weefsels’ of misschien zelfs ‘organen’ nabootsen?
Het experiment speelt in de chemie traditioneel een cruciale rol: om te weten hoe een chemische reactie gaat aflopen, moet die reactie in het laboratorium worden uitgevoerd. Stap voor stap leren chemici echter om chemische reacties met rekenmodellen te simuleren. Met simpele moleculen werkt het al. Maar is het mogelijk om met zulke modellen ook het verloop van heel complexe reacties te voorspellen?
Chemische synthese beperkte zich ooit tot het samenvoegen van atomen tot moleculen, met sterke elektronenverbindingen als ‘lijm’. In de natuur gebruiken moleculen ook andere aantrekkingskrachten om zich spontaan te assembleren tot steeds grotere structuren. Hoe ver komen chemici met het imiteren van die werkwijze, en kunnen ze zo geheel nieuwe materie construeren?
De chemie heeft een grote rol bij het zoeken naar oplossingen voor een centrale uitdaging in de 21ste eeuw: meer en duurzame welvaart bewerkstelligen voor een groeiende en zich ontwikkelende wereldbevolking. Fundamenteel nieuwe chemische synthesemethoden zullen complexere moleculen moeten maken met minder afvalproducten, en ons moeten helpen nieuwe energie- en grondstofbronnen aan te boren.
Hoe een materiaal zich in het groot gedraagt, wordt bepaald door hoe het in het klein is opgebouwd. Maar hoe het één tot het ander leidt is vaak niet zo duidelijk. Stel, we willen een nieuw materiaal ontwerpen dat zich precies zo gedraagt als wij nodig hebben. Weten we dan hoe dat materiaal er op de schaal van atomen uit moet zien?
Eeuwenlang probeerde de mens materialen bestand te maken tegen beschadigingen door ze almaar sterker te maken. Sinds kort exploreren materiaalkundigen een andere route: ze proberen materialen te maken die, net als in de natuur, lang meegaan door schade of verval van binnenuit zelf te herstellen.
Voor zowel levenloze als levende materie geldt dat hun eigenschappen worden bepaald door de bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd en de wisselwerking ertussen. Levend materiaal bestaat doorgaans uit veel meer verschillende bouwstenen dan levenloze. De basisvraag blijft echter de zelfde: kunnen we de complexiteit van beide tot eenvoudige principes terugbrengen?
