Waterstofbrug: het onzichtbare klittenband achter leven en nieuwe materialen
Een waterstofbrug is geen brug van beton of staal, maar een piepklein, kortstondig verbindinkje tussen moleculen. Het ontstaat wanneer een waterstofatoom dat vastzit aan een 'elektronenhongerig' atoom zoals zuurstof of stikstof, aangetrokken wordt door zo'n zelfde soort atoom in een naburig molecuul. Die aantrekkingskracht is veel zwakker dan een echte chemische binding, maar sterk genoeg om moleculen bij elkaar te houden, te sturen en zelfs van vorm te laten veranderen.
Vergelijk het met klittenband: één haakje en lusje houdt bijna niets vast, maar duizenden samen vormen een stevige, en toch weer losmaakbare, verbinding. Zo werkt water: elk watermolecuul vormt met buren tot wel vier waterstofbruggen tegelijk, en dat verklaart waarom water bij kamertemperatuur vloeibaar is terwijl vergelijkbare stofjes gassen zijn. Diezelfde 'klittenband-truc' houdt ook de twee strengen van ons DNA bij elkaar en geeft eiwitten hun vorm. Wetenschappers proberen dit natuurlijke principe nu na te bootsen om nieuwe, slimme materialen te bouwen.
Wat is het precies?
Een molecuul bestaat uit atomen die via 'gewone' chemische bindingen aan elkaar vastzitten. Sommige atomen, zoals zuurstof (O), stikstof (N) en fluor (F), trekken de gedeelde elektronen van zo'n binding sterk naar zich toe. Daardoor krijgt het waterstofatoom in die binding een klein beetje positieve lading, terwijl het andere atoom licht negatief wordt.
Dat licht positieve waterstofatoom wordt vervolgens aangetrokken door een licht negatief atoom in een ander molecuul, of in een ander deel van hetzelfde molecuul. Die aantrekking noemen chemici een waterstofbrug. Het is geen echte binding in de zin dat er atomen worden gedeeld, maar een elektrostatische aantrekking, vergelijkbaar met hoe twee magneten elkaar aantrekken.
Het bijzondere is de combinatie van kracht en zwakte. Een waterstofbrug is ongeveer tien tot twintig keer zwakker dan een normale chemische binding, maar veel sterker dan de vluchtige aantrekkingskrachten die alle moleculen sowieso op elkaar uitoefenen. Daardoor kan een waterstofbrug op kamertemperatuur vanzelf verbreken en weer herstellen, wat materialen flexibel en 'zelfherstellend' kan maken.
In DNA zorgen waterstofbruggen ervoor dat de bouwstenen adenine en thymine altijd precies twee bruggen vormen, en guanine en cytosine altijd drie. Die simpele rekenregel is de basis van het hele erfelijkheidssysteem: het is de reden dat DNA zichzelf nauwkeurig kan kopiëren.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers zien in de waterstofbrug een ontwerpgereedschap. Omdat de kracht zwak en herstelbaar is, kun je er materialen mee maken die zichzelf repareren na een kras of scheur, die van vorm veranderen als de temperatuur wijzigt, of die informatie op moleculair niveau kunnen opslaan en uitlezen, zoals de natuur al miljarden jaren doet met DNA.
Een tweede doel is het namaken van de precisie van de natuur. Waterstofbruggen ontstaan alleen tussen atomen die qua vorm en lading precies bij elkaar passen, zoals een sleutel in een slot. Die 'moleculaire herkenning' gebruiken chemici om bouwstenen vanzelf, zonder mensenhand, in complexe structuren te laten opstapelen. Dat heet zelfassemblage en is veel goedkoper en preciezer dan alles met machines op nanoschaal in elkaar zetten.
Een derde drijfveer is duurzaamheid. Materialen die zichzelf herstellen, gaan langer mee en produceren minder afval. Poeders die met waterstofbruggen water uit de lucht vangen, kunnen drinkwater opleveren zonder elektriciteitsnet. Het achterliggende idee is steeds: minder harde, onomkeerbare bindingen gebruiken en meer zachte, herprogrammeerbare krachten zoals de natuur dat doet.
Voorbeelden uit de praktijk
Een bekend voorbeeld is DNA-origami. Onderzoeker Paul Rothemund liet in 2006 zien dat je een lange DNA-streng, geholpen door honderden korte 'nietjes'-strengjes, via waterstofbruggen kunt laten opvouwen tot vooraf ontworpen nanovormpjes, van smileys tot kaartjes van Amerika. Deze techniek ligt aan de basis van veel hedendaags nano-onderzoek, bijvoorbeeld voor het gericht afleveren van medicijnen in het lichaam.
In 2008 publiceerde de groep van scheikundige Ludwik Leibler (ESPCI Paris) een rubberachtig materiaal dat na doorsnijden vanzelf weer aan elkaar 'groeit' bij kamertemperatuur, puur dankzij netwerken van waterstofbruggen tussen de moleculen. Dit was een van de eerste overtuigende demonstraties van zelfherstellend rubber zonder lijm of hitte.
Aan de TU Eindhoven werkt de groep van scheikundige Bert Meijer al langer aan zogeheten UPy-moleculen (ureidopyrimidinon), bouwstenen die via meervoudige waterstofbruggen sterk maar toch omkeerbaar aan elkaar klitten. Deze aanpak wordt gebruikt om polymeren te maken die op bepaalde temperaturen vloeibaar worden voor verwerking, en daarna weer stevig 'klikken' tot een duurzaam materiaal.
Op het gebied van waterwinning onderzochten scheikundige Omar Yaghi (UC Berkeley) en werktuigbouwkundige Evelyn Wang (MIT) rond 2017 poreuze kristallen, metal-organic frameworks (MOF's genoemd), die met behulp van waterstofbruggen vochtmoleculen uit droge lucht kunnen vangen en later weer vrijgeven als vloeibaar water. Verschillende opvolgprojecten testen sindsdien prototypes die met alleen zonlicht water uit woestijnlucht halen.
Tot slot experimenteren onderzoeksgroepen van onder meer Microsoft Research en de University of Washington sinds het midden van de jaren 2010 met DNA als opslagmedium voor digitale data, waarbij waterstofbruggen tussen baseparen letterlijk de 'harde schijf' vormen. Rond 2018-2019 lukte het voor het eerst om gericht een klein bestand terug te vinden uit een groter DNA-archief, een belangrijke stap richting bruikbare DNA-opslag.
Hoe ver is de techniek?
Het fundamentele begrip van waterstofbruggen is honderd jaar oud en wetenschappelijk stevig onderbouwd; dat is geen nieuwe technologie maar chemische basiskennis. Wat wél snel ontwikkelt, is het gebruik ervan als bouwsteen voor nieuwe toepassingen.
Zelfherstellende, op waterstofbruggen gebaseerde materialen bestaan inmiddels in laboratoria en enkele nichetoepassingen, zoals coatings en flexibele elektronica, maar zijn nog geen gangbaar bouwmateriaal in bijvoorbeeld auto's of gebouwen. Ze zijn vaak duurder, minder mechanisch sterk dan traditionele kunststoffen, en gevoelig voor vocht of temperatuurschommelingen, wat opschalen bemoeilijkt.
MOF-gebaseerde waterwinning uit lucht heeft de fase van laboratoriumdemonstraties gehaald en wordt getest in kleinschalige, vaak op zonne-energie draaiende units. De hoeveelheid water per kilo materiaal en per dag is nog beperkt, en de productiekosten van MOF's zijn relatief hoog, waardoor grootschalige, betaalbare toepassing nog niet is bereikt.
DNA-dataopslag is technisch indrukwekkend, maar de schrijf- en leessnelheid is nog vele malen trager dan bij harde schijven, en de kosten per opgeslagen gigabyte liggen nog ver boven wat gangbaar is. Voor archivering van data die zelden geraadpleegd hoeft te worden, zoals lange-termijnback-ups, wordt het wel als kansrijk gezien, maar een commercieel product voor consumenten is er nog niet.
Wie werken eraan?
In Nederland is de TU Eindhoven, met het onderzoek van Bert Meijer naar supramoleculaire chemie, een van de meest aangehaalde groepen op het gebied van waterstofbrug-gebaseerde polymeren. Ook TU Delft en de Radboud Universiteit doen nanotechnologisch onderzoek waarin waterstofbruggen een rol spelen, onder meer bij DNA-nanostructuren en biomaterialen.
Internationaal is UC Berkeley, met de groep van Omar Yaghi, toonaangevend op het gebied van MOF's, mede voor waterwinning uit lucht, vaak in samenwerking met technische universiteiten zoals MIT. In Frankrijk bouwde de groep van Ludwik Leibler aan ESPCI Paris een reputatie op rond zelfherstellende, op waterstofbruggen gebaseerde materialen.
Op het gebied van DNA-nanotechnologie en DNA-dataopslag zijn Amerikaanse instituten als de University of Washington en Microsoft Research prominent aanwezig, voortbouwend op fundamenteel werk van pioniers als Ned Seeman (New York University) en Paul Rothemund (destijds Caltech). China investeert de laatste jaren eveneens fors in nanomaterialenonderzoek waarin waterstofbruggen een sleutelrol spelen, onder meer aan universiteiten in Shanghai en Peking.