Badeendje: Hoe blijf je natuurlijk plakken?

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Hoe kan een zeepok of een mossel onder water blijven plakken, en laat een pleister na handenwassen gelijk los? Kunnen wij leren van de natuur? Via datamining en machine learning hebben wetenschappers een krachtige hydrogel ontwikkeld die als onderwaterlijm kan dienen. Daar komt ook heel wat scheikunde bij kijken. Ga mee op ontdekkingstocht!

Instructions

Voorkennis van leerlingen

Voor deze les is het prettig als de volgende begrippen bekend zijn: aminozuren/eiwitten (organische chemie: zuurgroep en aminogroep, peptidebinding), chemische bindingen(waterstofbrug, vanderwaalsbinding, atoombinding, ionbinding), hydrofiel/hydrofoob, polair/apolair, elektronegativiteit, monomeer, polymeer, condensatiepolymerisatie.

bereiding van de docent

• Neem de les een keer door.
• Zorg voor  een laptop voor elke leerling.
• Bedenk vooraf hoe de opdracht ingezet wordt: in tweetallen, groepjes, alleen... en hoeveel tijd de leerlingen daarvoor krijgen.

Leerdoelen/vaardigheden

Na deze les kan de leerling:

...uitleggen welke stappen wetenschappers gezet hebben

om vanuit de natuur een kunstmatige onderwaterlijm te maken.

...de meerwaarde zien van data mining en machine learning in dit ontwerpproces.

...benoemen wat de kenmerken van aminozuren zijn.

...en hebben ze kennisgemaakt met kunstmatige polymeren en hun eigenschappen.

Aansluiting curriculum

Deze les sluit aan bij 'Chemie van Leven', maar ook bij biochemie en organische chemie. De les past daarnaast bij het leerdoel 'moleculair modelling'. 

Feedback

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

ut.onl/docent4tu

Ondertitel

Badeendje: Hoe blijf je natuurlijk plakken?

Een combi van scheikunde en machine learning om een onderwaterlijm te maken

Les 1. Wat is creativiteit?

Informatie voor de docent

Benodigdheden

Iconen

Zet het vinkje 'toon bij leerling' aan

Toon notities bij elke dia

Navigeren door de les

Vergroot een afbeelding

Klik hier

Hotspot met meer informatie

Laptop voor elke leerling

Vooraf

Neem de les en de notities door. 

De opdracht (dia 17) kan alleen of in kleine groepjes uitgevoerd worden, liefst zonder digitale hulpmiddelen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

...kun je uitleggen welke stappen wetenschappers gezet hebben 

om vanuit de natuur een kunstmatige onderwaterlijm te maken.

...zie je de meerwaarde van data mining en machine learning in 

dit ontwerpproces.

...kun je benoemen wat de kenmerken van aminozuren zijn.

...en heb je kennisgemaakt met kunstmatige polymeren en hun eigenschappen.

Wat doet dat badeendje daar?

verderop in de les zit een filmpje waarin wetenschappers de ontwikkelde onderwaterlijmen testen, door een badeendje vast te lijmen op een steen in de branding. 

Dat is zo'n leuk beeld, dat dit badeendje gebruikt is als 'aandachtstrekker' voor deze les.

Les 1. Wat is creativiteit?

Onderwaterlijm

Weleens geprobeerd om de natte zool van je 

schoen te plakken? 

Of gemerkt dat een pleister op je hand snel loslaat 

als je steeds je handen wast?

Natte dingen plakken niet zo lekker. Of laten snel los.

Wetenschappers zijn op zoek gegaan naar lijm die onderwater ook plakt.

Daarvoor zijn ze te rade gegaan bij....de natuur!

Les 1. Wat is creativiteit?

Lijm in de natuur

zeepokken en mosselen

Zeepokken en mosselen blijven onder water uitstekend plakken aan bijvoorbeeld stenen of palen. Dat inspireerde wetenschappers om uit te zoeken welke stoffen verantwoordelijk zijn voor deze onderwaterkleefkracht. 

Bron afb. zeepokken: Zeepokken – Balanomorpha, z.d.

Bron afb. mosselen: 5 Weetjes Over Mosselen, z.d.

Afbeeldingen: Galgeschoor en Groot Buitenschoor (2025) en 5 weetjes over mosselen (z.d.)

De natuur als inspiratiebron voor oplossingen van onze problemen. Hier twee soorten organismen die prima blijven plakken onder water. Klik op de hotspot om de bijbehorende tekst te lezen.

Welke (andere) toepassingen kun je bedenken voor onderwaterlijm?

Met deze vraag worden leerlingen zich bewust van het nut van onderwaterlijm. 

Mogelijke antwoorden:

- lijm om tenten, luchtbedden en regenjassen te repareren

- lijm om (kleine) gaten in boten (tijdelijk) te dichten

- lijm om leidingen (in zee, maar ook in de bodem) mee te repareren

- lijm om badkameraccesoires op te hangen, zoals tandenborstelhouders

- lijm om een lekkende aquarium te dichten zonder dat je het leeg hoeft te halen

- lijm om een kapotte tuinslang te repareren

Les 1. Wat is creativiteit?

Op zoek naar 'natte lijm'-eiwitten

Wetenschappers doorzochten via data mining databases van 24.707 natuurlijke 'natte lijm'-eiwitten, op zoek naar karakteristieke aminozuurvolgordes die verantwoordelijk zijn voor sterke hechting. 

Die patronen gebruikten ze om synthetische polymeerketens te ontwerpen.

Waarom data mining?

Zachte materialen ontwikkelen is ingewikkeld, omdat er ontelbare mogelijke combinaties van bouwstenen zijn en er daarnaast allerlei zwakke moleculaire krachten een rol spelen. Dat leidt tot een ingewikkelde structuur-eigenschap-relatie. Data mining zoekt snel de beste mogelijkheden.

Hoeveel?

Deze 24.707 hechtende eiwitten waren afkomstig van 3.822 verschillende soorten organismen (naast zeepokken ook bijvoorbeeld van schelpdieren, insecten, spinnen, virussen en bacteriën)

Stap voor stap wordt uitgelegd hoe de wetenschappers te werk zijn gegaan bij het ontwikkelen van hun onderwaterlijm. Daar gaan de volgende dia's over.

Klik op de hotspots voor meer uitleg.

Les 1. Wat is creativiteit?

Synthetische 'aminozuren'

De wetenschappers groepeerden de gevonden aminozuren in zes 'functionele klassen', waaronder hydrofiel, nucleofiel en aromatisch.

Vervolgens maakten ze 6 synthetische (nep-)aminozuren, waarvan de eigenschappen overeenkwamen met de 6 functionele groepen die uit de data mining te voorschijn waren gekomen.

Toelichting

In BINAS staat een heel andere indeling van aminozuren. De hier gepresenteerde indeling is (blijkbaar) op heel andere kenmerken gebaseerd. Dat mogen de leerlingen hier voor kennisgeving aannemen.

Vraag

Zoek in BINAS op welke structuur kenmerkend is voor aminozuren. 

Binas 67H: Aminozuren die bij mensen voorkomen worden gekenmerkt door een aminogroep (-NH2) en een carboxylgroep (-COOH) aan hetzelfde koolstofatoom.

Er blijken nog vele honderden andere aminozuren te bestaan, o.a. bij planten en bacteriën, maar zelfs bij mensen (alleen ontstaan die later, dus niet op basis van de genetische code). Daarnaast zijn er vele synthetische aminozuren. Daar gaat de rest van deze les op door.

Vraag

Deze zes synthethische aminozuren zou je strikt genomen geen aminozuur mogen noemen. Welke naam past wel bij het algemene deel van deze nep-aminozuren?

Deze synthetische 'aminozuren' zijn acrylzuurderivaten. De basisstructuur is propeenzuur (acrylzuur).

Algemene ruggengraat: CH2=CH-COOH.

De zuurstofhoudende groepen zijn veresterd, dus het zijn acrylaten.

Het zijn acrylaatmonomeren met zijketens die lijken op aminozuurzijketens.

Les 1. Wat is creativiteit?

Ontwerpen van polymeren

De zes gevonden groepen van functionele aminozuren leverden dus zes kunstmatige 'aminozuren' op. Met deze zes verschillende kunstmatige (acrylaat-)aminozuren bouwden ze 'eiwitten' (acrylaatpolymeren, eigenlijk).

Zo ontstond een dataset van 180 bio-geïnspireerde hydrogels.

Elke kleur stelt een kunstmatig aminozuur voor. Verschillende aminozuren samen vormen een 'eiwit'-ketting.

Toelichting

Deze hydrogels zijn dus reeksen van 'aminozuurvolgorden' waarvan men vermoedt dat ze dan goed zouden hechten aan oppervlakken in waterige omgevingen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Machine learning optimalisatie

Met behulp van machine-learningmodellen is bepaald welke van deze 180 de beste kanshebber is om een goede onderwaterlijm te zijn. 

Vervolgens werden de meest veelbelovende hydrogels in het lab gemaakt en getest. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Door data mining en machine learning te combineren met experimenten, kunnen wetenschappers veel sneller en slimmer nieuwe materialen ontwerpen. Dit bespaart tijd, geld en leidt tot betere uitvindingen!

Het proces in beeld

Spieken bij de natuur

Wetenschappers bestudeerden een enorme database met 'plakkerige' eiwitten. Een computer analyseerde de aminozuren en groepeerde ze in 6 functionele 'plak-groepen'.

1

De eerste recepten maken

Om de 6 'plak-groepen' na te bootsen, kozen ze 6 bijpassende 'kunstmatige aminozuren' (chemische bouwstenen). Hiermee stelde de computer 180 basisrecepten samen. Dit heet de data mining fase.

2

Testen in het lab

Alle 180 lijmrecepten worden in het echt gemaakt en getest. De resultaten (recept + plakkerigheid) worden verzameld in een grote, centrale database.

3

De computer laten leren

Nu komt machine learning. De computer bestudeert alle data en leert het verband: "Als ik 'dit' ingrediënt toevoeg, wordt de lijm plakkeriger."

4

De computer voorspelt

Het computermodel, dat nu een 'expert' is, voorspelt zelf nieuwe, nóg betere recepten. Dit is een veel snellere en slimmere manier om het beste recept te vinden.

5

Het eindresultaat

De allerbeste recepten die de computer heeft voorspeld, worden gemaakt. Het resultaat? Een supersterke onderwaterlijm die veel beter plakt dan alle eerdere versies!

6

Data mining vs. machine learning

Data mining: de detective 

Data mining is als het ware schatgraven in een enorme berg informatie. Je bent op zoek naar verborgen patronen, verbanden of 'goudklompjes' die je nog niet kende. Het is een ontdekkingsproces.

Machine learning: de voorspeller

Machine learning gebruikt de patronen die je hebt gevonden om de computer iets te leren, zodat hij voorspellingen kan doen over nieuwe situaties.

In deze dia is het hele proces nog eens overzichtelijk weergegeven. 

Klik op de hotspots voor de uitleg bij elke stap in het proces.

Les 1. Wat is creativiteit?

Resultaten

De beste hydrogels bereikten een kleefkracht van meer van 1 MPa, wat uitzonderlijk is voor onderwaterlijmen.

De hydrogels presteerden goed in zeewater en sommige nog beter in bijvoorbeeld demi-water. 

1 MPa?

1 MPa druk komt overeen met de druk die je ondervindt op 100 meter diepte in de oceaan.

Dus die lijm houdt alsof er op elk mm² van de lijmnaad een gewicht van 10 kg wordt gezet, onder water.

Droge lijmen kunnen veel hogere kleefkrachtwaardes hebben (houtlijm: tot 10 MPa). Maar onder water is 1 MPa echt heel indrukwekkend.

1 cm² lijm met 1 MPa kleef-

kracht houdt zo´n 100 kg

Laat ter inspiratie deze korte video zien, en die op de volgende dia.

Les 1. Wat is creativiteit?

Opdracht

In het onderzoek naar onderwaterlijm ontdekten wetenschappers dat bepaalde groepen beter hechten aan oppervlakken dan andere. Moleculen met hydrofobe groepen (lange koolstofketens of aromatische groepen) helpen om water van het oppervlak weg te duwen (zoals bijv. in BA en PEA). Positief geladen groepen (zoals een ammoniumgroep) versterken de hechting aan glas (zoals in ATAC).

Wat moet je doen?

Kies als tweetal een van de drie opgaven hiernaast. Maak de opdracht en noteer je antwoord in je schrift; straks kun je het intypen in LessonUp.

Hydrofobe groepen

Leg uit hoe het komt dat hydrofobe groepen in een polymeer ervoor zorgen dat water uit de buurt blijft van het oppervlak waar de lijm moet hechten.

1

Opgaven

Aromatische groepen

Aromatische ringen (zoals benzeen) stapelen vaak op elkaar en stoten water af. Verklaar hoe dat kan met behulp van hun structuur.

2

Positief geladen groepen

Positief geladen groepen  worden ook wel 'kationische groepen' genoemd. Glasoppervlakken dragen in water vaak een negatieve lading (door –SiO⁻-groepen). Leg uit hoe het komt dat 'kationische groepen' in een polymeer de hechting aan glas versterken.

3

Laat leerlingen zelf (in tweetallen) voor één van de drie opgaven kiezen, of wijs de opgaven toe aan tweetallen.

Stimuleer leerlingen om vooral gebruik te maken van BINAS en hun scheikundeboek, en pas in laatste instantie van digitale hulpbronnen.

Het begrip 'kation' wordt niet meer gebruikt in de scheikundeles, maar staat hier toch genoemd omdat de wetenschappers in het Japans/Chinese artikel dit begrip gebruiken. 

De antwoorden moeten ze na 10 minuten intypen en kunnen dan klassikaal kort besproken worden.

Vraag

Hydrofobe groepen

Leg uit hoe het komt dat hydrofobe groepen in een polymeer ervoor zorgen dat water uit de buurt blijft van het oppervlak waar de lijm moet hechten. 

Geef hier jullie antwoord!

Antwoord:

Hydrofobe zijketens bestaan vooral uit C–C en C–H bindingen, die apolair zijn.

Water is polair en vormt geen gunstige interacties met apolaire groepen.

Daardoor “knijpt” de hydrofobe groep water weg van het oppervlak → beter contact tussen de lijm en het substraat.

Vraag

Aromatische groepen

Aromatische ringen (zoals benzeen) stapelen vaak op elkaar en stoten water af. Verklaar hoe dat kan met behulp van hun structuur. 

Geef hier jullie antwoord!

Antwoord:

Aromatische ringen zijn grotendeels apolair en vermijden contact met water. Daardoor komen ze liever tegen elkaar of tegen andere apolaire oppervlakken te liggen.

(Extra: op universitair niveau wordt dit verklaard met zgn. π–π interacties tussen aromatische ringen, die de lijmstructuur versterken).

Vraag

Kationische groepen'

Glasoppervlakken dragen in water vaak een negatieve lading. Leg uit waarom 'kationische groepen' in een polymeer de hechting aan glas versterken. 

Geef hier jullie antwoord!

Antwoord:

Glasoppervlakken in water zijn vaak negatief geladen (–SiO⁻).

Positief geladen (kationische) groepen (bijvoorbeeld bepaalde ammoniumzouten) dragen een permanente positieve lading.

Via elektrostatische aantrekking vormen ze sterke bindingen met het negatieve glasoppervlak → extra hechting.

Les 1. Wat is creativiteit?

Het vervolg

Leuk, zo'n badeendje in de golven. Maar wat zijn nuttige toepassingen?

• biomedisch (dichten van operatiewonden; bekleden van protheses)
  
  
• noodreparaties in scheepvaart of bij windmolens op zee

Aan het begin van deze les hebben de leerlingen zelf nagedacht over toepassingen van onderwaterlijm. Hier nog twee voorbeelden van professionele toepassingen; hadden ze daar al aan gedacht? 

Er is nog steeds voldoende werk aan de winkel om dit soort oplossingen te ontwikkelen. Voor geïnteresseerde leerlingen is de dia met vervolgopleidingen interessant (2 dia's verder).

Les 1. Wat is creativiteit?

Gefeliciteerd!

Je kunt nu...

...uitleggen welke stappen wetenschappers gezet hebben 

om vanuit de natuur een kunstmatige onderwaterlijm te maken.

...de meerwaarde van data mining en machine learning in 

dit ontwerpproces inzien.

...benoemen wat de kenmerken van aminozuren zijn.

...uitleggen wat kunstmatige polymeren zijn en hun eigenschappen beschrijven.

Les 1. Wat is creativiteit?

Geïnspireerd?

Vond je dit een leuke les? Dan is één van de volgende vervolgopleidingen misschien iets voor jou. 

Bachelor Data Science (universiteit)

https://www.wur.nl/en/education-programmes/bachelor/bsc-programmes/bsc-data-science.htm

Bachelor Chemie (hbo)

https://www.studiekeuze123.nl/studies/34396-chemie-hbo-bachelor

Bachelor Bio-Informatica(hbo)

https://www.studiekeuze123.nl/studies/39215-bio-informatica-hbo-bachelor

Bachelor Life Science and Technology (universiteit)

https://www.tudelft.nl/onderwijs/opleidingen/bachelors/lst/bsc-life-science-and-technology

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Klik hier om naar de vragenlijst voor leerlingen te gaan

Link naar vragenlijst voor leerlingen:

ut.onl/leerling4tu 

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Vragenlijst voor docenten

ut.onl/docent4tu

Link naar vragenlijst voor docenten:

ut.onl/docent4tu

Les 1. Wat is creativiteit?

Check www.4tuschools.nl voor meer inspirerende lessen!

Les 1. Wat is creativiteit?

Liao, H., Hu, S., Yang, H., Wang, L., Tanaka, S., Takigawa, I., Li, W., Fan, H., & Gong, J. P. (2025). Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels. Nature, 644(8075), 89–95. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09269-4

Galgeschoor en Groot Buitenschoor. (2025). Zeepokken – Balanomorpha. Geraadpleegd op 24 mei 2024, van https://scheldeschorren.be/zilte-natuur/fauna/bodemleven/zeepokken-balanomorpha/

5 Weetjes over Mosselen. (z.d.). WUR. https://www.wur.nl/nl/onderzoek-resultaten/onderzoeksinstituten/marine-research/onderzoeksthemas/5-weetjes-over-mosselen.htm

Bronnen