Radboud-chemici werken samen met bedrijven én robots aan transitie van fossiel naar bio

_{⌂ » Werk & ondernemen » Nijmegen innoveert}

Chemische producten zoals medicijnen, plastics, zeep of verf zijn nu nog vaak op fossiele grondstoffen gebaseerd. Dat is niet duurzaam, dus wordt er hard gezocht naar manieren om een ‘materialentransitie’ te maken, naar producten die van biobased grondstoffen gemaakt worden. Om sneller en efficiënter tot resultaten te komen, zetten onderzoekers van de Radboud Universiteit in het Big Chemistry programma robots in en maken ze gebruik van AI.

Het is een uitdaging van formaat, de materialentransitie van fossiel naar biobased (waarbij grondstoffen gebaseerd zijn op materialen van biologische oorsprong) Je moet grondstoffen voor producten vervangen zonder dat de kwaliteit van die producten verandert. Dat vergt kennis van eigenschappen en gedrag van die grondstoffen op moleculair niveau. Wilhelm Huck, hoogleraar fysisch-organische chemie aan de Radboud Universiteit: ‘Bovendien wil je niet de eigenschappen van één molecuul optimaliseren, maar van een mengsel. En die zoektocht kunnen wij met onze robots en modellen flink versnellen.’

Miljoenen onvoorspelbare interacties

De moeilijkheid is, legt Huck uit, dat de meeste chemie ‘niet additief’ is. ‘Of je één suikerklontje oplost in water of tien: bij tien klontjes gebeurt in wezen hetzelfde. Dat is voorspelbaar. Maar als je weet hoe één molecuul zich gedraagt en je weet hoe een ander molecuul zich gedraagt, zou je kunnen denken: als ik ze bij elkaar gooi, krijg ik het gecombineerde of het gemiddelde van die twee. En dat is dus bijna nooit zo in de chemie. In heel veel gevallen leidt de interactie tussen moleculen tot een interactie die je niet had kunnen voorspellen.’

Omdat grondstoffen op allerlei punten kunnen interacteren met andere grondstoffen, neemt het aantal mogelijke reacties snel toe. Huck: ‘En als je dan weet dat leveranciers van ingrediënten voor schoonmaakmiddelen, cosmetica, verven en coatings, inkt, parfum, medicijnen, noem maar op – dat die tienduizenden componenten kunnen leveren. En dat je die op verschillende manieren kunt combineren. Dan kom je al gauw op honderden miljoenen interacties die je niet allemaal kunt bestuderen. Dan heb je een model nodig dat de eigenschappen van mengsels kan voorspellen. En om dat model te trainen heb je heel veel data nodig, die je verzamelt in experimenten.’

Drie projecten: verf, zeep en polymeren

Dit najaar werden drie subsidies toegekend aan projecten van Radboud-onderzoekers binnen het grotere Big Chemistry-programma van het Nationaal Groeifonds. Onder leiding van chemici Wilhelm Huck, Mathijs Mabesoone en Peter Korevaar wordt daarin, samen met bedrijven, onder meer onderzoek gedaan naar de eigenschappen van biogebaseerde grondstoffen voor verven en zepen. 

Peter Korevaar gaat samen met Van Wijhe Verf onderzoek doen naar verven. Die zijn vaak nog (deels) gebaseerd op olie, omdat ze watervast moeten zijn. En dat is nog maar één eis waaraan verf moet voldoen: ‘Verf moet goed mengen. Dat mengsel moet stabiel blijven. Het moet niet te waterig en niet te stroperig zijn. Het moet afwasbaar zijn, maar niet van je huis af regenen. Het moet simpelweg goed spul zijn. Als je dat probeert te ontwerpen op basis van nieuwe, biogebaseerde ingrediënten, heb je heel veel experimentele data nodig.’

Mathijs Mabesoone gaat samen met het bedrijf Croda International onderzoek doen naar zepen. ‘Als je een zuivere zeepoplossing hebt, dan heeft die bijvoorbeeld een bepaalde schoonmaakcapaciteit. Maar bij mengsels van zepen kan diezelfde eigenschap ineens al bij een honderdvoud lagere concentratie optreden. Ook dat is heel moeilijk te voorspellen, dus gaan we heel veel metingen doen. Zo maken we een grote database met informatieve meetpunten, waarmee we vervolgens een model kunnen trainen om de interacties beter te voorspellen.’

Het derde project dat dit najaar subsidie kreeg, gaat op een meer fundamenteel niveau over polymeren: grote moleculen die vaak in mengsels voorkomen. Huck: ‘Van de meeste polymeren zijn er onvoldoende gegevens voor theoretische berekeningen. Voor de ontwikkeling van nieuwe, biogebaseerde polymeren gaan we samen met TNO en Van Loon Chemical Innovations (VLCI) meer data verzamelen, zodat we AI-modellen kunnen trainen om tot betere voorspellingen te komen.’

Robotlab: datagedreven wetenschap

Unieke data genereren, en daar heel veel van, dat is het doel van alle drie de projecten. En dat doen de wetenschappers met behulp van robots. Een groot robotlab op Noviotech Campus in Nijmegen, volgt najaar 2026. Maar de onderzoekers werken nu ook al met robots ter grootte van een kleine koelkast die continu metingen doen. Mabesoone: ‘Je levert zo’n robot wat monstertjes aan van basisoplossingen, en dan zet je ‘m aan het werk om te testen, mengen en meten. De robot beslist wat de beste monsters zijn om te maken, en je hoeft maar weinig aan te leveren om een heleboel data te krijgen.’

Wat merkt de consument?

Of en wanneer je als consument iets merkt van dit onderzoek? Huck: ‘Als we dit niet doen, kan het gebeuren dat je op zeker moment producten niet meer kunt krijgen, omdat er stoffen in zitten die niet langer zijn toegestaan of beschikbaar zijn. Maar als we het goed doen, merk je er weinig van. Je had goed spul en je wilt goed spul houden. Alleen zal dat goede spul op den duur vaker biologisch afbreekbaar zijn. En waarschijnlijk kunnen we het goede spul zelfs nog beter maken – we kunnen met robotica en AI zoveel meer combinaties uitproberen dan we ooit voor mogelijk hadden gehouden dat we zeker ook compleet nieuwe eigenschappen gaan vinden.’

Dit artikel verscheen eerder op Radboud Universiteit.