Toen Aaike van Vugt ontdekte dat wetenschappers moeite hadden met het produceren van kleine, schone en goed gedefinieerde deeltjes, ging hij met professor Andreas Schmidt-Ott aan de slag met vonkablatie. Met die technologie – ontwikkeld in 1980 – kunnen dat soort deeltjes relatief eenvoudig worden geproduceerd. De nanodeeltjesgenerator werd ontwikkeld, VSParticle in Delft opgericht en met de juiste financiering volgde de NanoPrinter die nanodeeltjes in iedere gewenste configuratie kan combineren. Voor een grootschalige commerciële toepassing ligt de focus nu op de ontwikkeling van gassensoren en membranen voor de productie van waterstof.
Aaike van Vugt, ceo van VSParticle: ‘Wetenschappers hadden moeite om nanodeeltjes te maken; onze printer lost dat probleem op.’ Foto’s: VSParticle
Materialen en de bijbehorende eigenschappen spelen een essentiële rol in het dagelijks leven. Materialen die isoleren, geleiden, reflecteren, warmte vasthouden, slijt- of roestvast zijn. Allemaal hebben ze hun eigenschappen die het mogelijk maken om zowel eenvoudige als hightech producten te maken. Wetenschappers zijn daarbij voortdurend bezig de eigenschappen te verbeteren. Een nóg betere isolatie leidt tot lagere stookkosten. Een nóg betere geleiding tot lagere verliezen. En nog betere roestvastheid tot een langere levensduur en lagere onderhoudsbehoefte.
Een deel van diezelfde wetenschappers heeft in de afgelopen decennia de focus verlegd naar het beheersen van deze eigenschappen door onderzoek naar steeds kleinere deeltjes: de zogeheten nanodeeltjes, typisch enkele nanometers groot. Daarbij zal menigeen hebben verzucht: ‘Als je deze nanodeeltjes toch eens schoon kon produceren, en in de gewenste samenstelling kon combineren, dan zouden we elk denkbaar materiaal kunnen maken!’
‘Je moet jezelf eerst echt bewijzen voordat je de technologie breed kunt uitrollen’
Tot voor kort een serieuze utopie. Nieuwe materialen produceren betekent namelijk diverse deeltjes combineren en uitgebreid testen om de eigenschappen vast te stellen. Als er dan een materiaal wordt gevonden dat betere eigenschappen heeft, komt het vraagstuk van de reproduceerbaarheid. Die is – zeker in de beginfase – bijna nihil. Als je bij een nieuwe batch niet exact dezelfde en schone ‘ingrediënten’ hebt, is de kans op een fiasco gegarandeerd.
Serieus probleem
Aaike van Vugt studeerde af als chemisch technoloog aan de TU Delft en kwam tijdens zijn studie in contact met professor Andreas Schmidt-Ott, die al in 1980 een methode ontwikkelde voor het produceren van zeer kleine deeltjes middels vonkablatie (zie kader). ‘Ik raakte geïntrigeerd door het feit dat het mogelijk bleek te zijn om na een halve dag training met zijn technologie feitelijk ieder nanodeeltje te maken dat ik wilde’, zegt Van Vugt. In diezelfde tijd bezocht hij diverse congressen en stelde vast dat veel onderzoekers moeite hadden om kleine, schone en goed gedefinieerde nanodeeltjes te produceren. ‘Een serieus probleem aangezien juist die deeltjes zo belangrijk zijn voor wetenschappelijk onderzoek naar nieuwe materialen. Ik had het gevoel dat de oplossing in de technologie van Schmidt-Ott lag waarop in 2013 octrooi werd verleend. Op zijn voorstel werd een dag na mijn afstuderen in 2014 VSParticle opgericht.’ Aaike van Vugt is de ceo.
In de jaren die volgden, is er gewerkt aan een zogeheten nanodeeltjesgenerator op basis van vonkablatie. Al vrij snel kwamen de eerste subsidies binnen en kreeg het bedrijf de mogelijkheid om (volledig gesponsord) drie maanden naar MIT in Boston te gaan om daar aan de MIT Global Founders’ Skills Accelerator deel te nemen. Van Vugt: ‘We hebben ons prototype meegenomen, maar het daar uiteindelijk met geen vinger aangeraakt. Wel leerden we heel veel andere dingen.’
Van wetenschap naar commercie
Na de levering van de eerste generators aan het RIVM en de TU Delft haakte in 2017 Invaco Management uit Amsterdam aan als serieuze investeerder wat de start-up de mogelijkheid gaf om door te groeien, een internationaal netwerk op te bouwen en nieuwe producten te ontwikkelen op basis van de nanodeeltjesgenerator. De belangrijkste hiervan is de NanoPrinter waarmee anorganische nanogestructureerde materialen lokaal zijn te printen. De bouwstenen voor iedere printlaag zijn nanodeeltjes die de printer maakt vanuit kleine staafjes ‘bulkmateriaal’ die ook bij VSParticle te koop zijn. Deze deeltjes zijn veelal kleiner dan 10 nm en schoon. Daarbij biedt de printer de mogelijkheid om nanoporeuze lagen van verschillende samenstellingen en diktes te printen.
Van Vugt: ‘Ik denk dat iedereen zich wel kan voorstellen welke mogelijkheden een dergelijke printer biedt: je kunt letterlijk bijna álle materialen maken die je kunt bedenken. En in dat laatste zit nog een uitdaging: van alle materialen die mogelijk zijn op basis van het periodieke systeem der elementen, kennen we ongeveer 1 procent. En met de snelheid waarmee we nu materialen ontwikkelen – typisch met een tijdsduur van vijftien jaar en tegen een bedrag van ongeveer 100 miljoen euro per nieuw materiaal – gaat dit niet snel veranderen.’
Met een nieuwe investeerder – Plural Platform – is de NanoPrinter doorontwikkeld en vercommercialiseerd. Daarbij had VSParticle het duidelijke streven om de printer niet alleen voor wetenschappelijke doeleinden en onderzoek in te zetten, maar tevens commercieel voor de productie van materialen in grotere hoeveelheden.
Keuzes maken
Wie de wereld aan zijn voeten heeft liggen, moet sterk zijn om niet te verdrinken in alle potentiële mogelijkheden die staan te trappelen om te worden verzilverd. VSParticle koos daarom twee industrieën en een passend product om mee te starten. Van Vugt: ‘Er zijn honderden markten voor nano. Van landbouw en medische toepassingen tot energietransitie, voedingsmiddelen en ruimtevaart. Maar focus is belangrijk. Je moet jezelf immers ook eerst echt bewijzen voordat je de technologie breed kunt uitrollen.’
De eerste focus betreft gassensoren. Op dit moment zijn gassensoren in staat om een of meer gassen te detecteren. Maar het vermogen om onderscheid te kunnen maken tussen de verschillende elementen is meestal zwak. De ultieme wens is om sensoren te ontwikkelen die gevoeliger en selectiever zijn en bovendien (extreem) compact waardoor ze eenvoudig zijn te integreren in mobiele apparaten, zoals een smartphone.
VSParticle ontwikkelt momenteel een sensor met deze eigenschappen die in staat is om VOC’s (vluchtige organische stoffen zoals drijfgassen, formaldehyde en benzeen) te meten. ‘Ga je naar complexere toepassingen, dan zien we mogelijkheden in sensoren waarmee je bijvoorbeeld eenvoudig een ademanalyse kunt doen’, aldus Van Vugt. ‘Ze kunnen minimale hoeveelheden van een specifiek gas detecteren dat een indicatie kan zijn voor een aankomende ziekte. Vroege detectie verbetert vaak de behandelmogelijkheden en verlaagt daarmee de zorgkosten.’
Waterstofproductie
Een tweede industrie, die inmiddels ook al de nodige aandacht kreeg in de pers, hangt samen met de energietransitie en betreft de ontwikkeling van een membraan gecoat met een katalysator (CCM) dat in staat is om water te splitsen in zuurstof en waterstof. Kortom: het produceert waterstof. Deze membranen bestaan op zich al, maar worden nu geproduceerd in een proces van zeven stappen waarbij bovendien het zeer schaarse materiaal iridium nodig is.
Van Vugt: ‘Kijk je naar de energietransitie en de noodzaak om waterstof te produceren, dan kom je uit op getallen die aangeven dat de waterstofmarkt in acht jaar tijd – tot aan 2030 – zo’n tweehonderd keer groter moet worden. Dat geldt ook voor de capaciteit van de elektrolyzers waarin deze membranen worden toegepast. Onhaalbaar dus met de huidige stand van zaken. De NanoPrinter kan de membranen in één stap printen, met een hogere nauwkeurigheid en met aanzienlijk minder iridium.’
De ontwikkelingen op beide vlakken verlopen succesvol, waarmee de toepassing van de technologie bewezen kan worden, aldus Van Vugt. ‘Daarna ligt de wereld open. Ik kan me voorstellen dat andere bedrijven de technologie adopteren om hun eigen producten verder te verbeteren en ook zie ik mogelijkheden voor spin-offs die mogelijk een specifieke markt of industrie oppakken om hierin verder te gaan.’ VSParticle richt zich onverminderd op de ontwikkeling en verkoop van prototypes. De detailengineeering en de assemblage van de uiteindelijke machines ligt bij o.a. MTA. ‘Over de verkoop van machines kan ik op dit moment weinig zeggen behalve dat we in gesprek zijn met enkele grote partijen in de markt van gassensoren en CCM’s. Dergelijke machines voor de echte productie van nanodeeltjes zullen enkele miljoenen euro’s gaan kosten; voor materiaalonderzoek ligt dit rond de 250.000 euro. Bij bedrijven zullen we ons met een eerste exemplaar altijd moeten bewijzen, voordat we het echt over grotere aantallen kunnen hebben.’
Selfdriving lab
Ondertussen vergeet VSParticle, waar inmiddels ruim dertig mensen werken, de wetenschappelijke wereld niet. Zo lijkt er een trend te zijn waarin handmatig laboratoriumwerk overgenomen gaat worden door robots. De zogeheten selfdriving labs. Van Vugt: ‘Door de beschikbaarheid van de nanodeeltjesgenerator en de NanoPrinter zijn we in staat de resterende 99 procent van de materialen die ik net beschreef, in relatief korte tijd te ontrafelen. En dat zou volledig automatisch kunnen: je print een materiaal, een robot neemt het uit en plaatst het in een analyseapparaat dat vervolgens de eigenschappen bepaalt.’ Systemen op basis van AI bepalen waar verbeteringen mogelijk zijn en zetten de nanodeeltjesgenerator en de printer opnieuw aan het werk waarna de cyclus zich herhaalt. ‘Als je honderd systemen bij elkaar zet, of een veelvoud daarvan, eventueel wereldwijd, dan gaat het hard. Zover is het nog niet, maar ik kijk ernaar uit.’
De productie van nanodeeltjes, illustraitie VSParticle
Vonkablatie
In (heel) grove lijnen werkt vonkablatie op basis van een inert gas (bijvoorbeeld argon of stikstof) dat door een buisje van het gewenste materiaal stroomt. Door ter plekke heel snel een heleboel vonkjes met een hoge temperatuur te genereren, verdampt het materiaal in zeer kleine (nano)deeltjes. Uiteindelijk clusteren deze weer tot iets grotere deeltjes waarbij de nanodeeltjesgenerator in staat is de exacte grootte te regelen; van enkele atomen tot tientallen nanometers. Door de hoge temperatuur van de vonk (meer dan 20.000 Kelvin) is het mogelijk om ieder aards materiaal te verwerken met oppervlakken die vrij zijn van (organische) verontreinigingen.
Link magazine september/oktober 2023. Thema: de heilige graal van volledige digitale integratie. Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op bij mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Het proces is niet alleen effectief en efficiënt maar ook schoon. Zeker wanneer het apparaat werkt op groene stroom. Het draaggas is eenvoudig te recyclen door het door een filter te leiden. Ook ontstaan er geen afvalstromen waarmee het proces probleemloos is te integreren in (bestaande) productieprocessen.
De magie van nanodeeltjes
De mogelijkheid om nanodeeltjes gecontroleerd te produceren met een specifieke grootte heeft meer voordelen dan alleen miniaturisatie. Deeltjes kleiner dan 5 nm hebben namelijk eigenschappen die sterk kunnen verschillen van de eigenschappen van deeltjes van hetzelfde materiaal die veel groter zijn. Goud is bijvoorbeeld bekend als geelglanzend materiaal; naarmate de deeltjes kleiner worden, verandert de kleur van blauw en rood naar doorzichtig. Typisch bij een grootte kleiner dan 5 nm. ‘Je kunt het vergelijken met een massa mensen’, weet Aaike de Vugt. ‘Als er op een Malieveld vol mensen één persoon bijkomt, zal dat geen invloed hebben op het gedrag van de massa. Als er drie mensen bij elkaar staan en er komt een vierde bij, dan kan dit heel anders verlopen.’
De ontdekking dat nanodeeltjes andere eigenschappen hebben dan het bulkmateriaal triggert de wetenschap al jarenlang om hiermee verder te gaan. Met de ontwikkeling van de deeltjesgenerator en de NanoPrinter kan dit een vlucht nemen.
Creating a paradigm shift in energy transition with nanotechnology
VSP’s nanotechnology is creating new materials for the energy transition. Its unique technology enables to locally print inorganic nanostructured materials with unique properties.
Finding the right partner for their scale-up requirements resulted in a close co-operation with MTA.
MTA’s technology competencies and unique added value to combine product- and production development resulted in a full-fledged system with the required accuracy and reproducibility for series production. In this way, MTA contributed to a conclusive business case for VSP. Congresprogramma 15 november | Precisiebeurs
