211service.com
Od rakiet butelkowych po bioniczny szpinak
Michael Strano jako dziecko odpalał rakiety napędzane wodorem. Dziś jego laboratorium opracowuje nanoczujniki, rośliny bioniczne, przewody lodowe w nanoskali i zupełnie nowe źródło energii. 22 lutego 2017 r.
Jak na laboratorium inżynierii chemicznej, miejsce pracy Michaela Strano ma niezwykłą gamę zieleni: szpinak, rukiew wodna i rukola. Strano wprowadził do roślin nanocząsteczki w postaci liści, aby nadać im nowe możliwości. Nie chciałbyś ich jeść, mówi, wskazując na soczyste sałaty. Ten ma świecić jak lampa biurkowa, a ten próbuje rozmawiać z twoim telefonem komórkowym. Stworzył również rośliny szpinaku, które są w stanie wyczuć materiały wybuchowe w glebie i przekazywać te informacje zdalnemu obserwatorowi.
Strano od dawna pracuje z nanorurek węglowych i jest pionierem w ich zastosowaniu jako czujników w roślinach, a także u ludzi i zwierząt. Wykorzystał również nanocząsteczki, aby zwiększyć możliwości roślin, tworząc urządzenia, które wydają się zbliżyć do science fiction, takie jak lampa biurkowa. Po drodze odkrył, że nanorurki mogą służyć jako zupełnie nowe źródło energii. Jego praca obejmuje termodynamikę, materiałoznawstwo, nanotechnologię, a obecnie biologię roślin — zbieg zainteresowań, który jest rzadkością w wyższych kręgach akademickich.
W tym laboratorium mamy do czynienia z kilkoma ekosystemami, mówi Mike Lee, absolwent Strano, który pracuje nad czujnikami w rybach. Jest tak pełnym pasji facetem i jest tyle do nauczenia się.
Chemia podwórkowa
Historia kreatywnego podejmowania ryzyka Strano zaczęła się wcześnie. Dorastał w Pensylwanii, majstrował przy chemii i elektronice. Jego ojciec, który zaczynał jako elektryk w firmie Bell Telephone w Filadelfii, później przeniósł rodzinę poza miasto, aby otworzyć sklep z elektroniką audio. W wieku 10 lub 11 lat Strano odkrył, jak elektrolizować słoną wodę, przepuszczając przez nią prąd, aby uwolnić gazowy wodór, który przechowywał w szklanych butelkach w zamrażarce. Kiedy jego starszy brat, John, zapytał, czy rzeczywiście przechwycił wodór, Strano pokazał, że wkładając rozgrzany drut przez korek, aby zapalić gaz, może wystrzelić butelkę Snapple na 100 stóp w powietrze. Potem wszyscy byli przerażeni, mówi. Ale dla mnie to było prawie jak magia. Mógłbym wziąć ten czysty gaz i zadziwić ludzi.
Kiedy Strano miał 12 lat, jego ojciec zmarł nagle na atak serca, pozostawiając matkę z pięciorgiem dzieci (Strano był drugim najstarszym). Walczyliśmy, mówi. Nauka była produktywnym ujściem tego wszystkiego. W 1993 roku został pierwszym członkiem swojej rodziny, który uczęszczał do college'u – Brooklyn Polytechnic, gdzie koncentrował się na inżynierii chemicznej. Przypisuje szkole solidne podstawy matematyczne i analityczne. Było to miejsce, w którym kładziono nacisk na nauczanie i trzymano uczniów według rygorystycznych standardów: cała klasa może otrzymać najwyżej ocenę B, mówi.
Inżynierowie nie zostali przeszkoleni, aby traktować rośliny jako punkt wyjścia dla technologii.
W 1997 Strano rozpoczął doktorat na Uniwersytecie Delaware, pracując nad wytwarzaniem porowatych membran węglowych, które mogłyby ułatwić reakcje chemiczne. Pracował również nad projektem sponsorowanym przez DuPont, dla którego zaprojektował membranę, która może oddzielać azot i tlen od sprężonego powietrza. Podczas gdy praktycznie wszyscy jego koledzy z tytułem doktora podjęli pracę w przemyśle, Strano zdecydował się na karierę w środowisku akademickim, przechodząc na staż podoktorski na Rice University w Houston.
W Rice Strano dołączył do laboratorium Richarda Smalleya, chemika, który zdobył Nagrodę Nobla za pracę nad formą węgla o nazwie buckyballs. Byłem jedynym podoktorem w laboratorium, wspomina Strano, wyjaśniając, że Smalley, notorycznie wymagający, jakby przegonił wszystkich pozostałych podoktorów. Mimo to udało mu się dobrze prosperować pod Smalleyem, świecąc laserami na nanocząsteczki, aby dowiedzieć się o ich właściwościach emitowania światła. W szczególności skupił się na cząstkach emitujących światło w bliskiej podczerwieni części widma. Ta właściwość wydała mu się istotna, ponieważ ludzkie ciało jest przezroczyste dla światła bliskiej podczerwieni.
Kiedy został adiunktem na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign w 2006 roku, Strano postanowił zbadać, czy mógłby wprowadzić te nanocząsteczki do organizmu, gdzie mogłyby działać jako czujniki, wiążące się z cząsteczkami i przenoszące informacje przez skórę drogą fluorescencji. Zakładając swoje nowe laboratorium, poświęcił się tej wizji. W tamtych czasach był to pomysł nietuzinkowy, mówi, zauważając, że niewiele pracowano nad tym, czy nanocząstki mogą skutecznie służyć jako czujniki – a nawet czy będą bezpieczne. (Jeden sceptyczny wczesny recenzent porównał pomysł opracowania takich nanoczujników do umieszczenia otwieracza do puszek w ludzkim ciele.) Podejście Strano polegało na wzięciu nanocząstek węgla i pokryciu ich polimerem, który mógłby wiązać się z glukozą i reagować na różne stężenia cukru. Kiedy zewnętrzne urządzenie noszone przez pacjenta przeświecało światło przez skórę, powodowało fluorescencję nanocząstek, której sygnatury różniły się w zależności od stężenia glukozy. (Przeprowadził również eksperymenty na zwierzętach, aby pokazać, że nanocząsteczki wydawały się bezpieczne). Na początku Strano koncentrował się na glukozie, ponieważ wierzył, że wszczepialne czujniki pomogą ludziom z cukrzycą, jak siostrzeniec jego żony. Jego krótkoterminowym celem było wyeliminowanie potrzeby częstego przyklejania się do pomiaru poziomu cukru we krwi. Ale ostatecznym celem jest opracowanie sztucznej trzustki, która mogłaby mierzyć poziom cukru we krwi oraz dostarczać insulinę w czasie rzeczywistym.
W 2007 roku Strano został zwerbowany do MIT, gdzie w ciągu zaledwie dwóch lat uzyskał etat. Kontynuował prace nad nanoczujnikami, a w 2009 roku wykazał, że nanorurki węglowe wstrzykiwane pod skórę jako rodzaj tatuażu mogą służyć do pomiaru poziomu glukozy we krwi. Z biegiem czasu opracował również wiele innych czujników. Technologia wykryła takie cząsteczki jak fibrynogen, który jest ważny dla krzepnięcia krwi, oraz tlenek azotu, który służy jako kluczowa cząsteczka sygnałowa w układzie sercowo-naczyniowym i nie tylko. Pracował również nad zwiększeniem czułości swoich czujników. W gazecie w tym roku w Natura Nanotechnologia , zaprezentował czujniki, które mogą identyfikować pojedyncze cząsteczki białka.
MOC TERMICZNA
Na początku swojej pracy w MIT Strano odkrył również nowy mechanizm wytwarzania energii – całkowicie przez przypadek. W 2008 roku rozpoczął pracę nad projektem finansowanym przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych, którego celem było opracowanie nowatorskich siłowników, które szybko reagowałyby na wyzwalacz chemiczny. W ramach pracy umieścił wybuchowy TNT wokół powierzchni nanorurek węglowych w celu zaobserwowania szybkości, z jaką ulega on zapaleniu w tym środowisku. Podczas dokonywania pomiarów zauważył jednak, że reakcja wytwarza również duży i nieoczekiwany impuls elektryczny. Innymi słowy, reakcja TNT na powierzchni nanorurki węglowej wydawała się przekształcać ciepło z reakcji w elektryczność, generując impulsy mocy znacznie większe niż przewidywały teorie naukowe w tamtym czasie.
Strano jako pierwszy zaobserwował to zjawisko, które nazwał falą termomocy. To był nowy i ekscytujący pomysł na przekształcenie lotnej reakcji chemicznej w impuls elektryczny o bardzo dużej mocy, mówi Kourosh Kalantar-Zadeh, dyrektor Centrum Zaawansowanej Elektroniki i Czujników na Uniwersytecie RMIT w Australii. Oprócz teoretycznego zainteresowania chemików, odkrycie to otworzyło drzwi do nowych źródeł energii. W niektórych kontekstach badacze lub konsumenci mogą potrzebować źródeł zdolnych do dostarczania dużych ilości energii w krótkich okresach czasu. Umożliwiłyby to fale termoelektryczne, które teoretycznie mogłyby pozostać niewykorzystane przez nieokreślony czas bez utraty energii. Ponieważ do przechowywania opierają się na wiązaniach chemicznych, źródła zasilania wykorzystujące ten mechanizm byłyby bardziej jak paliwo w zbiorniku gazu niż, powiedzmy, litowo-jonowa bateria do telefonu komórkowego, która powoli się rozładowuje i rozładowuje, mówi Strano. Ostatnio pokazał również, że fale termoenergetyczne można generować bez użycia materiałów wybuchowych czy wysokich temperatur. W szczególności umieścił acetonitryl na nanorurkach i pozwolił mu wyparować; Okazuje się, że zmiana chemiczna wystarczy do wygenerowania prądu elektrycznego. Strano i inni na całym świecie zaczęli eksperymentować z prostymi urządzeniami, które mogą wykorzystywać fale energii cieplnej, ale twierdzi, że aplikacje pozostają na wczesnym etapie.
Laboratorium Strano wprowadziło nanocząsteczki do sadzonek szpinaku i rukoli, tworząc rośliny, które wyczuwają chemikalia lub emitują światło.
ROŚLINY BIONICZNE
Strano po raz pierwszy zwrócił swoją niesamowitą wyobraźnię na biologię roślin w 2009 roku. Początkowo, jak mówi, sądził, że niezwykła zdolność roślin do regeneracji kluczowych białek może zainspirować rozwiązanie problemu w energii słonecznej: ekspozycja na światło słoneczne stopniowo degraduje wiele materiałów wykorzystywanych do przechwytywania energii słonecznej. energia. W 2010 roku zespół Strano opracował zestaw syntetycznych cząsteczek, które przechowywane w roztworze mogą spontanicznie łączyć się w strukturę fotowoltaiczną; komórka rozpada się po dodaniu środka powierzchniowo czynnego do roztworu, ale szybko składa się ponownie po odfiltrowaniu środka powierzchniowo czynnego. Wkrótce potem zaczął skupiać się na innych zdolnościach fizjologicznych roślin: na przykład wytwarzają one własną energię, pompują własną wodę i zużywają więcej dwutlenku węgla niż produkują. W mojej dziedzinie inżynierowie nie zostali przeszkoleni, aby traktować rośliny jako punkt wyjścia dla technologii, mówi Strano. Zaczął jednak myśleć o nich jako o sieciach mikroprzepływowych, które mają mechanizm wewnętrznego transportu płynów, podczas gdy ich chloroplasty, struktury, w których zachodzi fotosynteza, można przyrównać do baterii chemicznych. Można stworzyć uproszczoną perspektywę na elektrownie, która bardzo spodoba się inżynierom takim jak ja, mówi.
W 2011 roku Strano zatrudnił biologa Juana Pablo Giraldo na staż podoktorski. Giraldo, który jest obecnie adiunktem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside, mówi, że poczuł energię, by pomóc w połączeniu światów nanomateriałów i żywych organizmów. W artykule z 2014 roku w Materiały przyrodnicze , zespół wykazał, że rośliny będą pobierać nanocząsteczki węgla przez pory na spodniej stronie liści, zwane aparatami szparkowymi – i że cząsteczki te przenikną następnie do chloroplastów roślin. Po tym odkryciu naukowcy wprowadzili nanocząsteczki, które umożliwiły liściom pochłanianie fal światła, z których rośliny normalnie nie korzystają, skutecznie rozszerzając ich zakres fotosyntezy. Naukowcy dostarczyli również cząsteczki, które służą jako przeciwutleniacze, a tym samym chronią chloroplasty przed uszkodzeniami spowodowanymi intensywną ekspozycją na światło słoneczne. W rezultacie byli w stanie zwiększyć potencjał fotosyntetyczny roślin o 30 procent. To odkrycie można teoretycznie wykorzystać, aby pomóc roślinom lepiej rosnąć w środowiskach o dużej gęstości, gdzie otrzymują ograniczone światło w zakresie widzialnym i mogą czerpać korzyści z możliwości wykorzystania innych długości fal.
W tym samym artykule Strano, Giraldo i ich koledzy wykazali również, że mogą przekształcić rośliny w czujniki tlenku azotu, zanieczyszczenia, które przyczynia się do powstawania kwaśnych deszczy. Naukowcy zrobili to, owijając nanocząsteczki polimerami, które mogły selektywnie oddziaływać z tlenkiem azotu, a następnie wprowadzając te cząsteczki do roślin. Obecność tlenku azotu zmieniła sposób, w jaki leżące pod spodem nanocząsteczki emitowały światło. W 2016 roku grupa Strano przekształciła liście szpinaku w czujniki związków nitroaromatycznych, rodzaju materiału wybuchowego, wprowadzając do liści nanorurki węglowe pokryte selektywnymi polimerami. Teoretycznie, jeśli nitroaromaty były obecne w wodach gruntowych, rośliny mogłyby je wykryć – i wysłać powiadomienie do pobliskiego urządzenia, takiego jak kamera na podczerwień podłączona do małego komputera, a nawet telefon komórkowy bez filtra podczerwieni. (Praktyczne znaczenie tego systemu nie jest do końca jasne, ale sugeruje podejście do wykrywania min lądowych lub zanieczyszczeń w wodach gruntowych).
Strano mówi, że praca nad tą rośliną jest szczególnie satysfakcjonująca, gdy rozmawia się z jego córkami, które mają 11, 9, 7 i 4 lata. Rośliny bioniczne – to właściwie rozmowa, którą możesz przeprowadzić z siedmiolatkiem, mówi. Strano i jego rodzina mieszkają w Lexington w stanie Massachusetts, gdzie znajdują się doskonałe szkoły publiczne; ale ponieważ jego najstarsza córka była w wieku przedszkolnym, on i jego żona, Sally, była matematyk, postanowili zamiast tego uczyć dzieci w domu. Należą do spółdzielni domowej, która spotyka się raz w tygodniu i zapewnia pewną strukturę, ale większość ich podejścia to swoboda (z wyjątkiem matematyki, o której Strano mówi, że wymaga codziennych ćwiczeń). Dziewczyny spędzają w bibliotece długie godziny, czytając samodzielnie. Dwoje z nich niedawno towarzyszyło ojcu w wycieczce do Japonii, gdzie poznali japońską kulturę i kilka słów o języku.
Oczywiście Strano jest szczególnie podekscytowany nauczaniem dzieci nauk ścisłych. Traktuję swój mandat poważnie, mówi. Mam cztery dziewczyny i nie mogę zagwarantować, że wszystkie trafią do STEM, ale to zmierza w tym kierunku. On i jego żona zachęcają dzieci do projektowania eksperymentów i prowadzenia badań, które je interesują. 11-latek, który lubi struganie i rzemiosło, wykonał projekt o tym, jak śluz na bazie skrobi kukurydzianej zjeżdża po pochyłym samolocie. Dziewięciolatek, który kocha ptaki, użył kamery poklatkowej, aby zbadać, które gatunki żywią się razem w karmniku dla ptaków. Dziewczyny regularnie odwiedzają też laboratorium Strano, gdzie mają bezpośredni widok na projekty ojca.
Wśród bardziej zabawnych zajęć toczących się w laboratorium są urządzenia elektroniczne wykonane z roślin. Strano i jego uczniowie skupiają się w szczególności na pilotach, które zwykle komunikują się za pomocą energii podczerwieni. Modyfikując rośliny za pomocą nanocząstek, aby uwalniały energię podczerwoną na zawołanie – w odpowiedzi, powiedzmy, na życzenie konsumenta, aby włączyć telewizor – naukowcy mogą umożliwić roślinom pełnienie tych samych funkcji, co te gadżety. Uważamy, że możemy zastąpić niektóre urządzenia, które są obecnie wytłoczone z plastiku, mówi Strano, dodając, że celem jest stworzenie bardziej ekologicznej klasy elektroniki. Wyzwaniem w naśladowaniu pilotów jest jednak to, że ich sygnalizacja następuje bardzo szybko, rzędu milisekund, a rośliny nie lubią tak szybko się poruszać. (Można też zastanawiać się nad losem elektroniki roślinnej, która wymaga wody, gdy ich właściciele wyjeżdżają na wakacje. Urządzenia musiałyby same się podlewać, mówi Strano.)
Mike Lee, który jest studentem drugiego roku, jest odpowiedzialny za utrzymywanie dużego akwarium ze złotymi rybkami w piwnicy laboratorium i opracowywanie czujników opartych na nanocząsteczkach, które można do nich wstrzykiwać w celu wykrycia stężenia hormonu stresu, czyli kortyzolu. Projekt powstał we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Nauki i Technologii im. Króla Abdullaha w Arabii Saudyjskiej, którzy planują wypuścić ryby do Morza Czerwonego, analizując ich poziom kortyzolu w odpowiedzi na warunki środowiskowe.
Ostatnio Strano dokonał zaskakującego odkrycia na temat zachowania samej wody w obrębie nanorurek węglowych. W artykule opublikowanym w Natura Nanotechnologia w listopadzie wykazał, że wewnątrz nanorurki o bardzo określonej średnicy, w temperaturze do co najmniej 105 °C, woda utworzyła ciało stałe, podobne do lodu. Kiedy płyn znajduje się w zamkniętym środowisku, jego zachowanie fazowe ulega zniekształceniu, ale jest to ekstremalny przypadek, mówi. Naukowcy mogliby stworzyć maleńkie druciki ze stałej wody, które byłyby stabilne w temperaturze pokojowej i przewodziłyby protony z wysoką wydajnością, jak wiadomo, że to woda. Może to na przykład pomóc w opracowaniu lepszych wodorowych ogniw paliwowych. Strano mówi, że jest podekscytowany możliwością zbadania właściwości nanoprzewodów lodowych, ale dodaje, że jury nie ma pojęcia, czy będą one w jakikolwiek sposób przydatne.