moleculen die werken onze hersenen
Het menselijk brein is de energiezuinigste ‘computer’ die er is, maar die computer laat zich niet zomaar namaken met binaire elektronica. Het is professor Christian Nijhuis gelukt om een moleculaire schakelaar te maken die leert van het verleden.
Daarmee bootst het molecuul de analoge informatieoverdracht in de hersenen na. De hoogleraar gaat nu op zoek naar vergelijkbare structuren én probeert de moleculen in een netwerk te laten samenwerken. Dat brengt energiezuinige computers die werken als onze hersenen een stapje dichterbij. ‘Tussen onze oren zit een fantastische moleculaire computer,’ zegt Nijhuis. ‘En hij is nog extreem energiezuinig ook. Dat staat in steeds groter contrast met de huidige (super-) computers en datacentra, die juist enorme energieslurpers zijn.’
Omdat in de elektronica alles steeds kleiner wordt, zoeken wetenschappers naar steeds kleinere bouwstenen, zoals moleculen die als schakelaar kunnen fungeren. Vanwege de energie-efficiëntie liet Nijhuis zich daarvoor inspireren door de natuur. Een veelbelovend molecuul, HATNA genaamd, leek in eerste instantie echter niet goed te werken als schakelaar.
‘We zagen dynamisch gedrag: of het molecuul ‘aan’ of ‘uit’ ging, leek afhankelijk van wat er daarvoor was gebeurd,’ vertelt hij. ‘Ik realiseerde me dat dat geen probleem was, maar juist een oplossing: het gedrag van het molecuul vertoonde een vorm van geheugen, net zoals de ‘schakelaars’ in onze hersenen. Met het HATNA-molecuul zouden we een device kunnen maken dat informatie verwerkt op dezelfde manier als onze hersenen dat doen: door pulsjes die hersencellen aan elkaar doorgeven via synapsen. En dat is oneindig veel efficiënter dan de binaire verwerking van enen en nullen die computers gebruiken.’
De doorbraak die zijn groep in 2022 in Nature Materials publiceerde, leverde Nijhuis veel media-aandacht op, maar daar ging een periode van intensief onderzoek aan vooraf. Vanaf de eerste experimenten met het HATNA molecuul tot het volledig begrijpen hoe het molecuul schakelt, kostte de onderzoekers wel meer dan twee jaar, vertelt Nijhuis: ‘Een moleculaire schakelaar als deze kan de basis worden voor een moleculaire computer, vooral in toepassingen met rekenkracht die maar weinig energie mag kosten, zoals zelfrijdende auto’s. En omdat het molecuul biologisch compatibel is, is het mogelijk ook geschikt voor medische toepassingen, zoals elektronische implantaten.’
Voordat zijn werk tot een daadwerkelijke moleculaire computer leidt, zijn er nog wel wat obstakels te overwinnen, denkt Nijhuis. ‘We kunnen nu één schakelaar maken waarvan we begrijpen hoe die werkt. De volgende stappen zijn om de schakelsnelheid omhoog te brengen en om meerdere schakelaars te laten samenwerken in een robuust neuronaal netwerk,’ zegt hij. ‘Dat stelt ons voor uitdagingen in de fabricage.’
Ook op andere vakgebieden liggen uitdagingen. Zo is de hardware in een op de hersenen gebaseerde computer totaal anders dan in een traditionele computer. Dat vraagt ook om andere algoritmes om de computer te kunnen gebruiken. Een multidisciplinaire aanpak is essentieel. Nijhuis: ‘We werken veel samen, ook met het bedrijfsleven. Binnen de universiteit nemen we deel aan het Molecules Center en Center for Brain-Inspired Nano Systems (BRAINS) waarmee we wereldwijd voorop lopen in de ontwikkeling van efficiënte nieuwe computer-hardware gebaseerd op biologisch geïnspireerde neuronale netwerken. Het onderzoek naar hoe ladingsoverdracht in en tussen moleculen werkt, is heel fundamenteel en heeft tijd nodig. Het is mooi om te zien dat het uiteindelijk tot veelbelovende toepassingen leidt.’
Onderwijs
Doordat Nijhuis nog redelijk nieuw is in Twente, had het opzetten van zijn leerstoel prioriteit boven het geven van onderwijs. Binnen de groep begeleidt hij uiteraard mensen in verschillende fases van hun opleiding. ‘Studenten en promovendi zijn het kloppend hart van een onderzoeksgroep,’ zegt hij.
Nijhuis werkt op het snijvlak van chemie en natuurkunde en is bij beide opleidingen betrokken. Hij geeft verschillende vakken bij de opleidingen Chemical Science & Engineering (CSE) en Applied Physics.
Behalve het onderwijs binnen de universiteit, vindt Nijhuis het belangrijk de rest van de samenleving te laten weten waar hij als wetenschapper mee bezig is. Hij geeft geregeld gastcolleges en spreekt bijvoorbeeld bij het Science Café in Enschede. In september 2023 won Nijhuis vanwege deze activiteiten de MESA+ Outreach Award.
Over Christian Nijhuis
Christian Nijhuis studeerde scheikunde in Groningen en promoveerde daarna aan de Universiteit Twente in de supramoleculaire chemie. Na een postdoc periode in Harvard, werkte Nijhuis tien jaar aan de National University of Singapore. In 2020 werd hij in Twente hoogleraar Hybrid Materials for Opto-electronic binnen de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Voor zijn onderzoek naar slimme moleculen voor hersenachtige elektronica ontving Nijhuis in 2023 een Vici beurs van NWO.
Persfoto’s
Deze persfoto’s mogen gebruikt worden onder vermelding van fotograaf Fokke Eenhoorn.