Interviews

Zhenan Bao: Werken aan zachte elektronica

Arjen Dijkgraaf en Puck Moll |
Geneeskunde & Immunologie, Materialen & Coatings, Organische chemie

What’s next?, dacht Zhenan Bao toen flexibele elektronica binnen handbereik bleek. Ze verruilde de Amerikaanse Bell Labs voor Stanford University om te bouwen aan elektronica die de huid nabootst.

De tweede dag van het CHAINS-congres in Veldhoven is volop aan de gang als Zhenan Bao (47) arriveert. Donderdag­ochtend verzorgt de Californische materiaalwetenschapper een presentatie en eerder op deze woensdag nam ze de tijd om het Holst Centre te bezoeken, het Nederlands-Vlaamse onderzoekscentrum in Eindhoven waar een oud-medewerker van haar werkt. ‘Dit is de eerste keer dat ik zelf in Nederland ben,’ zegt Bao, ‘maar ik heb dit land indirect al een beetje leren kennen via mijn Nederlandse medewerkers op Stanford.’ Bao vertelt onder de indruk te zijn van wat ze deze ochtend bij het Holst Centre heeft gezien op het gebied van elektronica, haar favoriete werkterrein.

Voor menig CHAINS-bezoeker zal Bao een onbekende naam zijn geweest, maar haar cv vertelt nieuwsgierige blikken voldoende. Na haar promotie aan de Uni­versity of Chicago verhuisde ze als or­ganisch chemicus naar Bell Labs, de R&D-afdeling van telecomgigant Lucent Technologies, waar ze uiteindelijk distinguished member van de technische staf werd. In 2004 koos ze voor een overstap naar Stanford. Daar is Bao als hoogleraar verbonden aan drie departementen: materiaalwetenschappen en engineering, chemische technologie, en chemie. Bao: ‘Bell Labs was een schitterende plek om te werken voor een gepromoveerde onderzoeker, mede door de combinatie van fundamenteel en toegepast werk. Maar aan het einde van de rit werd de richting van mijn onderzoek toch gestuurd door financiën.’

‘Ik zie mezelf niet als groepshoofd, maar als gids’

De van origine Chinese onderzoeker wilde het onderzoek kunnen doen dat zíj wilde. Tijdens haar Bell-tijd stond ze mede aan de wieg van flexibele elektronica. In de toekomst wil Bao die elektronica zelfs huidachtige eigenschappen mee geven. Het filmpje dat vorig jaar werd gemaakt ter ere van haar L’Oréal-UNESCO For Women In Science-award laat de kijker een van haar dromen zien: een robothand bedekt met een flexibele, transparante laag gevuld met sensoren.

Wat wil je daarmee bereiken?

‘De robots van vandaag zijn in staat om dingen vast te pakken, maar ze kunnen ze niet voelen. Ik wil de menselijke tastzin nabootsen, tot zelfs een lichte aanraking. En onze huid kan bijvoorbeeld ook temperatuur en vochtigheid registreren. Om die huid te kunnen nabootsen, moet het gebruikte materiaal niet alleen flexibel zijn, maar ook rekbaar, transparant, bio-afbreekbaar en, als het even kan, zelfherstellend. Die functionaliteit kan silicium ons niet geven, dus werk ik voor zover dat kan met polymeren.

Mijn uiteindelijke doel is om elektronica in het lichaam te kunnen verweven. Denk aan epilepsie behandelen: dat gebeurt nu met diepe hersenstimulatie, waarmee artsen goede resultaten behalen. Maar kan dat ook zonder de huidige elektrodes die je dwars door de schedel in de hersenen moet plaatsen?’

Je bent getraind als chemicus, maar je werk bestrijkt een veel breder palet van exacte wetenschappen. Wat is het belang van chemie in dit plaatje?

‘Chemie staat centraal in dit verhaal. Juist die kennis maakt het mogelijk een nieuwe generatie van elektronica te ontwikkelen. Je vindt ons vak terug in de ontwikkelingen van materialen en de processing, tot aan het bouwen van het feitelijke apparaat.’

In hoeverre is een universiteit de plek om een toepassing te verwezenlijken?

‘De primaire taak van een universiteit is studenten opleiden. Daar kun je werken aan vernieuwende ideeën zonder grenzen. Het is niet haar functie om die ideeën om te zetten in producten. Tegelijkertijd is het bedrijfsleven doorgaans niet bereid om te investeren, onder meer vanwege het hoge risico. Het zijn start-ups die opereren als brug tussen de universiteiten en de grote bedrijven in.’

Zelf richtte je in 2010 de spin-off C3 Nano op, die werkt aan flexibele schermen voor onder meer smart­phones. Wat heeft die stap je geleerd?

‘Het heeft mij laten inzien wat belangrijk is als je iets wilt maken dat nuttig is in de praktijk. Ik heb in de loop van de tijd geleerd dat bedrijven problemen anders aanpakken. In de industrie ga je voor realistische uitdagingen, niet voor blue sky ideas die te ver af liggen van waar we nu staan. Als je weet dat een vinding sowieso niet opschaalbaar is, dan hoef je haar ook niet verder te ontwikkelen. Dat principe probeer ik waar mogelijk al in mijn universitaire labs toe te passen. Als ik daar de kans krijg om een methode te kiezen die schaalbaar is, dan ga ik daarvoor.’

Vertel eens wat meer over de polymeren die je gebruikt.

‘Traditioneel maak je halfgeleiders van geconjugeerde polymeren, waarbij enkele en dubbele bindingen elkaar afwisselen in de koolstofketen. Maar die zijn van huis uit niet rekbaar en niet zelfherstellend.

Zulke geconjugeerde polymeren kenmerken zich door een hoge mate van wanorde. Er zitten van nature behoorlijk veel defecten in en toch blijven ze halfgeleidend. Dat geeft de ruimte om nog wat meer defecten in te bouwen en bijvoorbeeld extra waterstofbindingsites te creëren. Verbreek 5 tot 10 % van de conjugatie en je krijgt een polymeer dat veel zachter en rekbaarder is, terwijl het nauwelijks iets verliest van zijn kracht als halfgeleider.

Het is contra-intuïtief, je zou verwachten dat een hoge kristalliniteit essentieel is om elektronen goed te geleiden. Maar wat blijkt? Het is voldoende om goed contact tussen domeinen van hogere kristalliniteit te creëren. Dat geeft speelruimte.

Een bio-afbreekbare halfgeleider synthetiseren is bijna nog uitdagender. Vorig jaar publiceerden we in PNAS over een polymeersysteem dat bestaat uit reversibele iminebindingen die zich makkelijk laten verbreken onder mild zure omstandigheden. Toxicologisch onderzoek moet nog uitwijzen of die methode voldoende veilig is.’

Hoe zorg je voor de benodigde bedrading?

’Dat is wel een uitdaging. Het helpt om matrixarrays te maken. Normaal heb je voor elke pixel twee aansluitdraden nodig, maar een matrix van tien bij tien sensoren vraagt maar tien horizontale en tien verticale draden. Het is wel lastiger, omdat je transistoren moet zetten achter elke sensor. Maar transistoren, dat is nou net waar we goed in zijn.

‘Deze groep can go all the way, van poeder tot apparaat’

Ook dit is weer geïnspireerd door biologische systemen: in het menselijk lichaam zijn heel veel pixels aangesloten op hetzelfde knooppunt, met synapsen ertussen. Ik ben zelf geen bioloog, maar ik leer van ze en in de toekomst kunnen zij onze gereedschappen misschien gebruiken om biologische systemen te doorgronden.’

Kunnen we in de toekomst zonder silicium?

‘Dat zie ik voorlopig niet gebeuren. Een geweldig idee hebben is één ding, maar commercialisering is heel wat anders. En we zijn helemaal vergroeid met de silicium-infrastructuur. Het is praktischer om naar hybride constructies toe te werken. Op dit moment kunnen we 350 kunststoftransistoren verwerken op 1 cm2. Dat is een mooi uitgangspunt om iets interessants te bouwen en we kunnen ze zeker nog wat verder laten krimpen. Ik verwacht dat we transistoren kleiner dan 100 µm kunnen maken. Maar dezelfde prestaties als silicium ga je in de nabije toekomst niet halen. Dus als je siliciumchips wél veel kleiner kunt maken, waarom zou je ze dan niet gebruiken?’

Hoe ben je in de polymeerchemie terechtgekomen?

‘Eigenlijk heel toevallig. In China, waar ik opgroeide, koos ik voor de studierichting fysische chemie, in navolging van mijn moeder, die ook chemicus is. Rond die tijd besloten mijn ouders te emigreren naar de VS om mij meer kansen te kunnen bieden. Ik studeerde verder aan de University of Illinois en belandde daar echt per ongeluk bij de organische chemie. Mijn toenmalige begeleider verhuisde toen naar de University of Chicago; bij hem promoveerde ik uiteindelijk in de polymeerchemie.’

Met polymeerchemie kun je op veel manieren bijdragen aan een betere wereld. Waarom koos je deze weg?

‘Ik wil bovenal mensen helpen en de medische zorg is daarvoor het logische terrein. Wat kunnen we doen als we straks beschikken over zachte elektronica? Denk aan het meten van de hartfunctie via een veld van sensoren dat om het hart heen ligt en meebeweegt. En wat dacht je van het in kaart brengen van hersenfuncties? Om te kunnen meebewegen, moet je elektronica in hoge mate kunnen oprekken, tussen de 20 en 35 % voor het hart en zelfs al 10 % voor het brein. In het geval van implantaten speelt ook bio-afbreekbaarheid een belangrijke rol, zodat geen tweede operatie nodig is om het meetsysteem weer te verwijderen.’

Hoe run je je groep?

‘Mijn groep bestaat uit in totaal zo’n vijftig à zestig onderzoekers. Het is een mix van een derde synthetisch chemici, een derde chemisch technologen, ingenieurs en materiaalwetenschappers, en een derde elektrotechnici en fysici. Deze groep can go all the way, van poeder tot apparaat. Als we gaan nadenken over een toepassing dan betrekken we daar ook bijvoorbeeld medici bij.

Al die verschillende groepen wetenschappers spreken een andere taal. Aan mij de taak om waar nodig in te stappen en de samenwerking te verbeteren. Mijn geluk is dat ik de beste mensen in hun veld kan aannemen, ze werken keihard en zijn creatief. Ik zie mezelf niet zozeer als groepshoofd maar als adviseur, als gids. Ik verwacht dat iedereen zelf het voortouw neemt.’ 

Waar ligt de uitdaging voor chemici?

‘De uitdaging is om je ontwerp op moleculaire schaal te laten werken met wat je voor ogen hebt op macroscopische schaal. Ik zou willen dat we in staat waren om iets op papier te tekenen, dat dan in de praktijk direct zijn werk doet. Zo ver zijn we nog niet.

Ik probeer via rationeel ontwerp steeds meer vat te krijgen op de materie, maar meestal komt er trial and error bij kijken, omdat je niet alles vooraf kunt voorspellen. Zo heb ik enkel een grof idee van hoe de afzonderlijke moleculen in mijn elektronica zich gedragen. Met AFM, STM of röntgen kun je ze immers niet zien. Maar met computersimulaties beginnen we aardig dicht bij moleculaire schaal te komen. Extra computerkracht zal ons een beter idee geven van hoe een nanofilm eruitziet en wat er op grensvlakken gebeurt. Dan zijn we nog beter in staat om nieuwe materialen te ontwikkelen.’ 

CV Zhenan Bao

  • 2010: oprichting C3 Nano
  • 2004-heden: Stanford University
  • 1995-2004: Bell Labs
  • 1995: promotie in de chemie, University of Chicago
Deel deze pagina
Single-Use Event 2018

Join us for the ultimate networking event in the world of (bio)pharmaceutical manufacturing, biotechnology and bioprocessing!

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van C2W.

Meld je nu aan!

Word abonnee/lid

Sluit nu een abonnement af of word lid van de KNCV en ontvang elke week het laatste nieuws, digitaal of op papier. 

Sluit nu een abonnement af!

Naar boven