Chemie is in veel gevallen een ‘onzichtbare’ aangelegenheid: reacties tussen moleculen kun je vaak niet zien gebeuren. Maar soms lukt dat – in ieder geval indirect – wel op het macroscopische niveau. ‘Ik had een filmpje van ons onderzoek op LinkedIn gezet en dat is echt gigantisch vaak bekeken’, vertelt Peter Korevaar, universitair docent fysisch organische chemie. ‘Het is ontzettend leuk om in vijf seconden chemie visueel te maken. Als chemicus ben je gewend om te vertrouwen op NMR of andere indirecte methodes, maar in ons geval kun je echt zien wat er gebeurt.’

In Korevaars groep werken ze aan zelforganisatie van chemische systemen op meso- of macroscopisch niveau. ‘We zijn geïntrigeerd door leven en we proberen daarom ook om life-like materialen te maken met relatief simpele moleculen en bekende chemische reacties. Hoe zorgen fysisch-chemische principes zoals oppervlaktespanning of osmose voor die zelforganisatie, ook op zo’n manier dat je met het blote oog bewegingen kunt waarnemen?’

Prooi-roofdierkoppel

Promovendus Priyanshu Singh, die dit project handen en voeten gaf, vond dit bewegende systeem per toeval, aldus Korevaar. ‘We brachten een decylaminelaag aan op een water-luchtoppervlak, maar dat kristalliseerde onbedoeld. Toen zagen we oliedruppels door die laag heen bewegen en dachten we: wat is hier aan de hand en kunnen we dit manipuleren?’ Volgens Korevaar kun je de vergelijking trekken met een witte bloedcel die een bacterie achtervolgt. ‘Heel grappig om “per ongeluk” zoiets synthetisch na te bouwen met heel simpele moleculen. Het is wel exemplarisch voor veel onderzoek in mijn groep.’

Het duurde echter wel even voor ze wisten wat er nu precies aan de hand was, maar het bleek dat een oliedruppel met een aldehydegroep die ze introduceerden reageerde met het decylamine en daar steeds een stukje van ‘opat’. Voeg je daarna een andere op ether gebaseerde druppel toe, dan volgt die het spoor van de eerdere druppel door de decylaminelaag, waardoor je de twee druppels als een soort prooi-roofdierkoppel kunt zien.

Knoppen

‘Het grootste obstakel waar we vervolgens voor stonden was om al die interacties op elkaar af te stemmen’, legt Korevaar uit. ‘Je wilt voorkomen dat die prey-druppel veel te traag of snel gaat. Die predator moet erachteraan, en dat moet ook op de juiste snelheid.’ Uiteindelijk is het gelukt om controle te krijgen op al die parameters.

Korevaar wil met dit redelijk fundamentele onderzoek in kaart brengen hoe je dingen die je in het leven ziet voor elkaar kunt krijgen met levenloze moleculen. ‘Je kunt wel dingen op papier bedenken, maar door het ook experimenteel te doen, zie je aan welke knoppen je moet draaien en welke reacties je nodig hebt. Daar zie je ook de kracht en creativiteit van Priyanshu, hij heeft heel goed nagedacht over welke reacties je kunt gebruiken om die druppel op zo’n kristallijn oppervlak voort te bewegen.’

Chemische computer

In vervolgonderzoek wil Korevaar stappen zetten richting cascades. Korevaar: ‘Hoe mooi zou het zijn dat als druppels elkaar tegenkomen ze dan met elkaar reageren en weer een nieuw effect teweegbrengen?’

Maar het kan ook groter: neem een veld met enorm veel van die druppeltjes. Elke druppel vormt dan een input in een systeem. ‘De uiteindelijke beweging van de gecombineerde druppels vormt dan een superpositie van al die chemische inputs die je hebt ingevoerd’, verklaart Korevaar. ‘Je kunt het zien als een chemische computer, die niet alleen computaties doet, maar ook meteen iets bewerkstelligt als gevolg van die computatie.’ Waar een normale computer werkt met bits en bytes, wordt in dit geval zelforganisatie de programmataal. ‘Dat is echt een van de praktische mogelijkheden, niet alleen een chemisch programma creëren in silico, maar ook “in materia”.’

‘Je kunt je voorstellen dat je in zo’n systeem typische chemische reacties moet koppelen aan echte diagnostische reacties die je wil uitvoeren, zoals koppelingen aan eiwitten, DNA enzovoort’, vervolgt Korevaar. ‘Dat zijn stappen die later komen, waar we verder over na moeten denken. Maar als je de fysische chemie eenmaal goed onder controle hebt, dan kun je er echt nieuwe stappen in zetten.’

Singh, P. en Korevaar, P.A. (2025) Angew. Chem. Int. Ed. e202502352, DOI: doi.org/10.1002/anie.202502352