Niek van Hulst is expert in nano-optica. Hij doet iets wat volgens de klassieke natuurkunde eigenlijk niet kan: de optische eigenschappen van structuren kleiner dan 50 nanometer bestuderen en manipuleren met licht, terwijl licht zelf een golflengte heeft van 500 nanometer. Alsof je zandkorrels probeert te lijf te gaan met een grote schop.
Dit kan met de zogenaamde 'nabije-veld optische microscopie'. Hoewel op nanoschaal van lichtgolven geen sprake meer is, zijn er wel exotische lichtverschijnselen. Dit 'nabije veld' kun je bekijken met laserlicht. Dat moet door een glasfiber met een gaatje van 10 nanometer worden geleid om een lichtbron te krijgen van enkele tientallen nanometers groot.
Op die manier kan Van Hulst objecten spectroscopisch bestuderen. Door te kijken hoe het licht polariseert of fluoresceert, kan hij zien hoe moleculen in een monolaag zijn gerangschikt. Zelfs is het mogelijk om individuele moleculen waar te nemen. En wel, anders dan bij een elektronenmicroscoop, onder 'natuurlijke' omstandigheden, zonder toepassing van hoogvacuüm en desgewenst zelfs in vloeistof. De mogelijkheden zijn enorm.
Dat Niek van Hulst (1957) in de technische optica terecht zou komen was min of meer voorbestemd. 'Ik ben buitengewoon visueel ingesteld. Als kind was ik altijd bezig met tekenen en schilderen. Perspectief, Esscher, kleurenleer, dat soort zaken interesseerden mij buitengewoon. En ook sterrenkunde, ruimtevaart, fotografie. Ik heb gewoon iets met licht.'
Telescoop
Hij ging sterrenkunde studeren in zijn geboortestad Nijmegen. Ook nog een blauwe maandag kunstgeschiedenis trouwens, maar dat was amper een uitdaging. 'Sterrenkunde wel: 's nachts door telescopen gluren, foto's van sterren maken. Toen ik trouwde en kinderen kreeg werd dat minder. Ja, ik heb de telescoop ook wel 'ns op het raam van de overburen gericht.'
Bij de sterrenkunde kwam veel natuurkunde en wiskunde kijken. Het eind van het liedje was dat hij afstudeerde in de natuurkunde met specialisme astrofysica. Hij promoveerde in 1986 op formaldehyde-moleculen in de interstellaire ruimte, een molecuulfysisch onderwerp met astronomische kanten. 'Ik werkte met laserspectroscopie, weer met licht dus.'
Datzelfde jaar kwam Van Hulst naar Twente, waar prof.dr. Bouwe Bölger net een leerstoel technische optica aan het opzetten was. Over zijn leermeester spreekt Van Hulst met groot respect. 'Bölger was een visionair wiens ideeën de basis zijn van wat we op dit moment in de groep in praktijk brengen.'
Van Hulst begon als onderzoeksmedewerker, werd daarna universitair docent en in 1993, nadat Bölger met pensioen was gegaan, leider van de kleine groep. Na enkele hoogleraarloze jaren werd hij in 1996 prof.
Van Hulst zit nog maar kort in zijn hoogleraarskamer op de tiende verdieping van het EL/TN-gebouw. Daar werkt hij aan zijn oratie, die hij op 30 oktober zal uitspreken. Kale witte wanden, rijen verhuisdozen in de hoek. 'Maar wel het mooiste uitzicht van de campus', zegt hij trots.
Ambities
Om dat hoogleraarschap stond Van Hulst aanvankelijk niet echt te springen. 'Ik vind nog steeds: als een andere vent het management wil doen: graag! Mijn ambities liggen vooral op wetenschappelijk vlak.'
Anderzijds: het zou naïef zijn geweest om niet zelf een gooi te doen. Per slot zat hij hier, leidde hij de groep, begeleidde hij promovendi en sleepte hij geld binnen. Hij deed al die dingen die je ook als hoogleraar moet doen. 'Dus als je de kwaliteiten hebt, waarom niet?'
Van Hulst was 38 toen hij de baan kreeg. Een hele overgang, dat hoogleraarschap. 'Ik moet er nog steeds aan wennen.' Zijn positie was opeens een heel andere. 'Je blijft dezelfde persoon die je was. Alleen de verwachting die anderen van je hebben verandert.' Intern merkte hij dat je de autoriteit die bij de titel hoort niet cadeau krijgt.
Misschien dat zo'n Shellprijs helpt. Van Hulst moet van alle superlatieven in het juryrapport weinig hebben. 'Dikdoenerij. Het schaamrood stijgt je naar de kaken. Maar er zit een kern van waarheid in. Nano-optica wordt wereldwijd maar door weinig groepen beoefend. In Nederland zijn wij de enigen. Mede omdat het zo'n jong en weerbarstig veld is.'
Het succes kwam Van Hulst niet aanwaaien. 'Toen ik hier kwam was er niks. Geen kamer, geen lab. Ik moest gaan bedelen om een bureau. Ik heb enkele jaren van frustratie gehad, want het duurde een tijd voor we succes hadden met ons onderzoek. De eerste publicatie verscheen pas in 1990.'
Naaldje
Het onderzoek van de groep van Van Hulst naar nabije-veld optische microscopie komt voort uit gezamenlijk onderzoek met de groep van prof.dr. Jan Greve naar atomaire kracht microscopie. De 'atomic force microscope' (AFM) tast moleculaire oppervlakken af met een 'naaldje'. Enkele jaren geleden lukte het om zo ook kwetsbare biologische stoffen te bekijken. 'Op dit terrein zit Twente nog steeds in de voorste linies.'
Maar Van Hulst wilde hetzelfde doen met licht. In 1991 lukte het zijn groep als eerste ter wereld om de AFM-naald in combinatie met optische methoden te gebruiken. 'Een concurrerende techniek die behoorlijk opzien baarde', aldus Van Hulst. Daarna concentreerde men zich op de bij AT&T/Bell uitgevonden methode om laserlicht door glasfiber te leiden.
Inmiddels zijn er talloze toepassingen van nabije-veld optische microscopie zoals fotolithografie op nanometerschaal (lucratief in de chipsfabricage) en optische microcopie met dezelfde resoluties als bij elektronenmicroscopie. Ook kunnen chromosomen via fluorescentiekleuring gelabeld worden. Van Hulst is inmiddels ook gestart met het labelen van genen in DNA. 'Dat brengt het kraken van de genetische code dichterbij.'
Het mooiste, zegt Van Hulst, is 'single molecule detection'. 'Sinds kort zijn we in staat om individuele moleculen te zien. Je kunt een enkele molecuul waarnemen met een nauwkeurigheid van 1 nanometer, via het spectrum bepalen welk molecuul het is, welke stand het inneemt, hoe het beweegt en roteert. De randvoorwaarde is wel dat het fluoresceert.'
Signaal
'Het mooie is dat je een molecuul onder gewone atmosferische omstandigheden als het ware op tafel of in vloeistof kunt waarnemen. Er gaat een wereld voor je open! Je ziet zo'n molecuul gewoon wegwandelen en ronddraaien. Een vreemde gewaarwording. Je gelooft eigenlijk nog steeds niet dat je echt het signaal van één enkele molecuul ziet.'
In het MESA-project Nanobit wordt samen met de CT-groep van prof.dr.ir. D. Reinhoudt gewerkt aan de volgende stap: het 'aantikken' van moleculen metlaserpulsen. 'Zo kun je moleculen als het ware aan of uit zetten. Als je een stel moleculen in een matrix onderbrengt krijg je een superklein geheugen waarbij ieder molecuul als een één-bits moleculaire schakelaar functioneert. Dat maakt de moleculaire optische computer denkbaar.'
Waarom zou je die maken? 'Goeie vraag. Omdat het kan. Als proof of principle. Of er behoefte aan is, blijft de vraag. De snelle computers van nu hebben al meer geheugen dan we kunnen benutten. Maar ik ben ervan overtuigd dat nieuwe mogelijkheden nieuwe vraag zullen creëren.'
