TR 100 Nanotechnologia

Nanotech – nauka o budowaniu i manipulowaniu strukturami na poziomie molekularnym – obiecuje nowe perspektywy i nieoczekiwane rozwiązania szerokiego zakresu istniejących problemów w półprzewodnikach, optyce, wykrywaniu i biotechnologii. Wielu z tegorocznych uhonorowanych TR100, zdeterminowanych, aby dokonać nowych przełomów, zwraca się w stronę nanotechnologii, aby uzyskać niespotykany dotąd poziom precyzji, kontroli i elastyczności w tworzeniu nowych materiałów i urządzeń. Nanomateriały wynalezione przez tę elitarną grupę obiecują wszystko, od szybszej i mniejszej elektroniki po bardziej skuteczne i ukierunkowane terapie. Kiedy dojdziesz do skali długości nano, możesz uzyskać wyjątkowe właściwości, mówi Yi Cui z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Kategoria Nanotech+ TR100 obejmuje szeroką gamę innowacji i badań w dziedzinie materiałoznawstwa i energii. Ale to właśnie w skali ultramałej wielu z tegorocznych TR100 wnosi swój największy wkład.

Wiele działań dotyczy biomedycyny. Dzieje się tak, ponieważ nanomateriały mają odpowiedni rozmiar, aby wchodzić w interakcje z ważnymi aktorami biologicznymi, takimi jak białka, cząsteczki DNA i wirusy. Zastosowanie nanotechnologii w problemach biomedycznych jest naturalnym rozwiązaniem, mówi Darrell Irvine , profesor inżynierii biomedycznej na MIT.

Irvine pomaga w tworzeniu lepszych szczepionek przeciwko chorobom takim jak malaria i rak, projektując nanocząsteczki syntetycznego polimeru. Nanocząsteczki, które zawierają specyficzne cząsteczki stymulujące i antygeny, są wychwytywane przez komórki odpornościowe, wywołując odpowiedź immunologiczną. Ze względu na swój niewielki rozmiar nanocząsteczki mogą dostarczać cząsteczki z dużą precyzją do określonych receptorów wewnątrz komórek. Oznacza to lepszą kontrolę siły i rodzaju powstałej odpowiedzi immunologicznej, co powinno zapewnić bardziej skuteczne szczepionki. Irvine rozpoczął niedawno współpracę z naukowcami medycznymi z Uniwersytetu Harvarda w celu zbadania materiałów, które można wykorzystać do stworzenia szczepionki przeciwko HIV.

Albena Ivanisevic , profesor chemii na Purdue University, wykorzystuje technikę zwaną nanolitografią zanurzeniową, aby pomóc rozwiązać główny problem inżynierów tkankowych, którzy mają nadzieję na naprawę uszkodzonych części ciała: kontrolowanie precyzyjnego wzrostu komórek w określonych lokalizacjach. Ivanisevic pokrywa mikroskopijne końcówki cząsteczkami peptydów odżywiających komórki; końcówki następnie osadzają peptydy na powierzchni. Zdolność do uporządkowania tych cząsteczek peptydów z precyzją w nanoskali daje Ivanisevicowi większą kontrolę nad tym, jak i gdzie komórki będą rosły na powierzchni – ostatecznie tworząc nową tkankę dla organizmu.

Nanotech otwiera również nowe możliwości dla osób pracujących, aby skuteczniej wykorzystywać lub manipulować światłem. Jak może podejrzewać każdy, kto kiedykolwiek musiał wymieniać żarówkę, konwencjonalne oświetlenie żarowe opiera się na 150-letniej technologii, a naukowcy z niecierpliwością poszukują nowych sposobów na przedłużenie żywotności i zwiększenie wydajności materiałów emitujących światło. Jedną z ulubionych zabawek badaczy w tej dziedzinie są kropki kwantowe – nanocząsteczki materiału półprzewodnikowego, które w zależności od swojej wielkości emitują różne kolory światła. i Władimir Bulovic , profesor elektrotechniki na MIT, używa tych wytrzymałych, kolorowych nanokropek, aby na nowo wynaleźć żarówkę. Z kropek kwantowych Bulovic zbudował nowatorskie diody elektroluminescencyjne, które można włączyć do elastycznych materiałów, takich jak plastik i które powinny działać znacznie dłużej niż typowe żarówki. Podczas gdy inni, w tym sam Bulovic, opracowali już organiczne diody elektroluminescencyjne, Bulovic twierdzi, że kropki kwantowe mogą przedłużyć ich efektywny czas życia, czyniąc je bardziej użytecznymi. Ma nadzieję wyprodukować wysoce wydajny i długotrwały, elastyczny materiał emitujący światło w ciągu najbliższego roku do dwóch lat.

Marcel Bruchez , główny naukowiec zajmujący się rozwojem produktów w firmie Quantum Dot of Hayward w Kalifornii, również wykorzystuje świecące nanocząsteczki do obrazowania biologicznego i rozwoju diagnostyki. Kropki kwantowe emitują światło znacznie dłużej niż konwencjonalne barwniki używane do śledzenia aktywności w żywych komórkach, a ich zróżnicowane kolory oznaczają, że naukowcy mogą jednocześnie obrazować wiele zdarzeń i uzyskać lepszy wgląd w wewnętrzne funkcjonowanie komórek. Dla Brucheza korzyścią płynącą z pracy z nanomateriałami jest to, że otwierają one zupełnie nowe sposoby myślenia o problemach. Daje większą elastyczność w manipulowaniu materiałami i umieszczaniu ich tam, gdzie chcesz, mówi Bruchez.

Naukowcy zajmujący się elektroniką, którzy dążą do coraz mniejszych i szybszych obwodów, również robią postępy z pomocą nanotechnologii. Przemysł krzemowy jest już w reżimie nano, zaznacza Kinneret Keren, naukowiec na Uniwersytecie Stanforda. Teraz próbują więcej dla reżimu molekularnego. Oznacza to wykorzystanie cząsteczek, takich jak nanorurki węglowe, do budowy obwodów elektrycznych nowej generacji. Podczas gdy inni badacze wykonali już tranzystory z pojedynczych półprzewodnikowych nanorurek, Keren postanowił zająć się procesem montażu takich tranzystorów. Jej sztuczka polegała na dołączeniu komplementarnych fragmentów DNA do nanorurki i płytki krzemowej; ponieważ te dwa kawałki DNA w naturalny sposób związały się ze sobą, wykonały pracę polegającą na połączeniu nanorurki i płytki, aby wytworzyć tranzystor. Chociaż proces Kerena pozostaje wyczynem laboratoryjnym, może ostatecznie zaoferować nową metodę wydajnego wytwarzania maleńkich obwodów, w których każdy tranzystor jest pojedynczą cząsteczką.

Podczas gdy badacze tacy jak Keren rekrutują biomolekuły do ​​produkcji elektroniki, Majank Bulsara trzyma się tradycyjnego krzemu – ale manipuluje nim na nowe sposoby. Bulsara, współzałożyciel i dyrektor ds. technologii firmy AmberWave Systems z Salem w stanie NH, opracowuje nową formę krzemu, która ma sprawić, że chipy komputerowe będą o 20 procent szybsze, przy jednoczesnym obniżeniu zużycia energii o 30 do 40 procent. Kluczem do sukcesu jest rozciągnięcie kryształu krzemu poprzez rozciągnięcie jego atomów o zaledwie kilka tysięcznych nanometra – jak gumka – mówi Bulsara. To rozciąganie zmienia właściwości materiału, tak że biegnące przez niego elektrony z mniejszym prawdopodobieństwem zderzają się z atomami krzemu, rozpraszają się i zwalniają. Bulsara ma nadzieję, że do końca przyszłego roku pojawią się na rynku układy zawierające rozciągnięty krzem w dużych ilościach.

Tegoroczne TR100 dopiero zaczynają demonstrować wyniki wypraw nanotechnologicznych na nowe, ekscytujące terytoria, ale przenoszenie ich pracy w realny świat stwarza własne problemy. Największym wyzwaniem jest znalezienie sposobów wytwarzania nanomateriałów na wystarczająco dużych obszarach, mówi Bulovic. Ale kiedy to wyzwanie zostanie wreszcie spełnione, nie zdziw się, jeśli wschodzące gwiazdy, o których przeczytasz na następnych kilku stronach, znalazły się wśród tych, które pomogły wskazać drogę.

TR100 Startupy w Nanotech+
Nowator	Firma założona/współzałożona	Technologia/Kamienie milowe
Marcel Bruchez	Kropka kwantowa (Hayward, Kalifornia)	Fluorescencyjne nanokryształy wykonane z materiału półprzewodnikowego do biologicznego znakowania i diagnostyki; ponad 1000 klientów
Majank Bulsara	Systemy AmberWave (Salem, NH)	Napięty krzem dla szybszych, mniej energochłonnych urządzeń półprzewodnikowych; produkty zawierające tę technologię mogą być powszechnie dostępne pod koniec 2005 r.
Leroy Ohlsen	Neah Power Systems (Bothell, Waszyngton)	Ogniwa paliwowe na bazie krzemu do laptopów i innych przenośnych urządzeń elektronicznych; pierwszy produkt może pojawić się na rynku w 2006 roku

Profile nanotechnologiczne

Marcel Bruchez
Wiek: 31 | Współzałożyciel i główny naukowiec personelu | Kropka kwantowa
Sześć lat temu Marcel Bruchez, wówczas absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, wykazał, że kropki kwantowe – świecące cząstki o szerokości zaledwie nanometrów – mogą być używane do oznaczania białek wewnątrz komórek. W ciągu kilku miesięcy Bruchez był współzałożycielem Quantum Dot, aby sprzedawać nowe narzędzie do obrazowania biologom i twórcom leków poszukującym bardziej szczegółowego obrazu zdarzeń molekularnych. To jedno z pierwszych komercyjnych zastosowań nanotechnologii, mówi Bruchez.

Yi Cui
Wiek: 28 | Pracownik naukowy | Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley
Podczas gdy niektórzy badacze nanotechnologii tworzą podstawowe elementy budulcowe nowych materiałów, inni, tacy jak Yi Cui, odgrywają równie ważną rolę w łączeniu tych elementów i podejmowaniu kolejnych kroków w kierunku praktycznych zastosowań. Zdolność Cui do precyzyjnego kontrolowania montażu nanobloków doprowadziła do powstania nowych urządzeń, które mogą znaleźć się w chipach do badań przesiewowych raka, komputerach kwantowych i ogniwach słonecznych.

Jako doktorant chemii na Uniwersytecie Harvarda, Cui wykonał pionierską pracę nad nanoprzewodami, używając kombinacji laserów i oparów chemicznych do wiązania krzemu w celu utworzenia maleńkich drutów, które nie tylko przewodzą elektrony, ale także mogą wyłączać i włączać prąd jak tranzystor. Cui wyprodukowało nawet nanoprzewody, których przełączanie zależało od obecności określonych białek, dzięki czemu mogłyby służyć jako ultraczułe bioczujniki w testach na wczesne oznaki raka prostaty.

W Berkeley Cui nadal doskonalił sztukę budowania funkcjonalnych urządzeń w nanoskali. Ostatnio znalazł sposoby na precyzyjne łączenie ze sobą nowych rodzajów nanocegiełek, zwanych nanotrapodami – kropek materiału o szerokości kilku nanometrów, z których każdy ma cztery nanopręty, które rozchodzą się promieniście w różnych kierunkach. Podczas gdy inni badacze stworzyli wcześniej nanotrapody, Cui może połączyć wiele z nich, aby stworzyć sieć obwodów i precyzyjnie kontrolować ich właściwości elektryczne. Możemy zmusić nanotrapody do samoorganizacji w dowolny wzór, w tym w układy tranzystorów, mówi Cui. Ze względu na swój mały rozmiar obwody te mogą teoretycznie być kilka razy szybsze niż obwody w dzisiejszych chipach komputerowych.

Układając nanotrapody w rozgałęzione sieci, Cui przekształcił je z surowego składnika w coś, co można wbudować w prawdziwe urządzenia, takie jak ogniwa słoneczne. A ponieważ nanotrapody są wystarczająco małe, aby zarejestrować obecność pojedynczych elektronów, mogą nawet wykorzystać dziwne właściwości kwantowe cząstek subatomowych, tworząc podstawę dla nowych typów komputerów, które będą działać tysiące razy szybciej niż dzisiejsze najszybsze maszyny. Chociaż ta aplikacja jest odległa o wiele lat, Cui już zademonstrowało możliwość budowania nowych struktur przy użyciu podstawowych składników nanotechnologii.

Leroy ohlsen
Wiek: 30 | Założyciel i dyrektor ds. technologii | Systemy zasilania Neah
Ogniwa paliwowe na metanol mogą zasilać telefony komórkowe i laptopy, ale są drogie i niezbyt wydajne. Leroy Ohlsen, założyciel Neah Power Systems z Bothell w stanie Waszyngton, zastąpił plastikowe membrany ogniw, które usuwają elektrony z metanolu w celu wytworzenia elektryczności, krzemem porowatym. Krzem nie tylko daje nam więcej mocy, mówi Ohlsen, ale może również obniżyć koszty produkcji. Spodziewaj się pierwszych ogniw paliwowych firmy w 2006 roku.

Molly Stevens
Wiek: 30 | Wykładowca | Imperial College w Londynie
Materiałoznawca Molly Stevens uważa, że ​​jeśli chodzi o wykrywanie zmian w środowisku, nic nie przebije systemów biologicznych. Dlatego zwraca się do cząsteczek biologicznych, aby stworzyć inteligentne nanomateriały, które mogą doprowadzić do powstania nowych, wszczepialnych urządzeń wykrywających i dostarczających leki.

Takie urządzenia szybko wykryłyby zmiany fizjologiczne w organizmie, takie jak wzrost poziomu cholesterolu, i zareagowały uwolnieniem odpowiedniej dawki przechowywanego leku. Taka jest przynajmniej wizja. Ale uświadomienie sobie tego będzie wymagało nowych rodzajów materiałów, które zachowują się inaczej w różnych warunkach chemicznych.

Stevens niedawno wykazała, że ​​może kontrolować zachowanie nanocząstek złota poprzez zmianę pH roztworu, w którym są zawieszone. Dołączyła cząsteczki do specjalnie zaprojektowanych cząsteczek peptydowych, które w odpowiednich warunkach pH oddziałują ze sobą, łącząc cząsteczki w zorganizowaną strukturę. Zmiana pH zmienia kształt peptydów tak, że odpychają się one od siebie, a cząstki rozpraszają się. Bierzemy to, co najlepsze z kreatywności natury i wykorzystujemy ją dla siebie, mówi Stevens.

Eksperyment pokazuje, że możliwe jest stworzenie materiałów, które automatycznie zmieniają swój kształt w odpowiedzi na zmiany chemiczne w organizmie. Taki materiał może dać wszczepialne urządzenia do dostarczania leków, które działają jak własne czujniki biologiczne.

Na kolejnym etapie swojej pracy Stevens wykorzystuje wszechstronność peptydów. Teraz projektuje peptydy, aby zmieniały kształt w subtelniejszy i bardziej zróżnicowany sposób. Urządzenie do dostarczania leków wykonane przy użyciu takich peptydów byłoby bardziej wrażliwe na zmiany fizjologiczne i mogłoby zapewnić większą kontrolę nad wieloma różnymi dawkami leków. Jeśli jej nowy projekt się powiedzie, Stevens odegra kluczową rolę w tworzeniu nie tylko nanomateriałów, ale także znacznie inteligentniejszego dostarczania leków.

Władimir Bulovic
Wiek: 34
profesor nadzwyczajny, MIT
Wykorzystuje półprzewodniki organiczne i nanostrukturalne w urządzeniach takich jak diody elektroluminescencyjne, lasery, fotodetektory i czujniki chemiczne. Firmy typu start-up udzieliły licencji na wiele z jego 30 patentów w USA.

Majank Bulsara
Wiek: 32
Współzałożyciel i dyrektor ds. technologii, AmberWave Systems
Współzałożyciel Salem, firma AmberWave z siedzibą w NH, aby opracować naprężony krzem, zaawansowaną formę krzemu, która sprawia, że ​​chipy komputerowe działają szybciej i zużywają mniej energii.

Dustin Carr
Wiek: 34
Główny członek personelu technicznego Sandia National Laboratories
Tworzy urządzenia krzemowe w nanoskali, które mogą wykrywać ruchy w skali subatomowej. Nanodetektory mogłyby znaleźć zastosowanie m.in. w ultraprecyzyjnych akcelerometrach do nawigacji lotniczej.

Martin Culpepper
Wiek: 32
adiunkt, MIT
Buduje maszyny potrzebne do urzeczywistnienia wysokiej jakości, niedrogiej nanoprodukcji. Jego nanomanipulatory są bardziej elastyczne i oferują wyższą wydajność niż istniejące wersje – za jedną dwudziestą kosztów.

Radość Delmau
Wiek: 33
Pracownik naukowy, National Laboratory w Oak Ridge
Pomógł rozwiązać podstawowe problemy związane z przetwarzaniem odpadów jądrowych, które doprowadziły do ​​ekonomicznego procesu oczyszczania ponad 100 000 metrów sześciennych odpadów radioaktywnych na terenie Savannah River Site w Południowej Karolinie, który zarządza amerykańskimi składami jądrowymi.

Marta Gardner
Wiek: 33
Statystyk, General Electric
Stworzył modele statystyczne i oprogramowanie do projektowania, aby usprawnić opracowywanie materiałów. Korzystając z jej metod, inżynierowie skrócili czas opracowywania produktów o 90 procent.

Verena Graf
Wiek: 32
Inżynier DaimlerChrysler
Opracowuje ogniwa paliwowe, które są praktyczne do napędzania samochodów: są wytrzymałe, szybko się uruchamiają i mają doskonałą gęstość mocy, niezależnie od pogody.

Yu Han
Wiek: 27
Staż podoktorski, Instytut Bioinżynierii i Nanotechnologii (Singapur)
Zsyntetyzowane cząsteczki w nanoskali z małymi, precyzyjnie określonymi porami. Jego materiały można wykorzystać do kontrolowanego dostarczania leków lub terapii genowej.

Stefan Hecht
Wiek: 30
Adiunkt, Wolny Uniwersytet w Berlinie
Opracowano nową klasę nanorurek polimerowych i innych molekularnych elementów budulcowych. Te nowatorskie materiały mają potencjalne zastosowania w produkcji nanorozmiarowych urządzeń elektronicznych.

Darrell Irvine
Wiek: 31
adiunkt, MIT
Wytwarza nanocząsteczki, które uwalniałyby chemikalia do wnętrza organizmu, aby zaprogramować komórki odpornościowe w celu zwalczania infekcji wirusowych, takich jak HIV, tolerowania przeszczepów, a nawet niszczenia złośliwych guzów.

Rustem Ismagilov
Wiek: 31
Adiunkt, Uniwersytet w Chicago
Opracowuje technologie mikroprzepływowe, które wykorzystują maleńkie kropelki do charakteryzowania funkcji i struktury białek oraz do modelowania złożonych procesów biochemicznych. Modele mikroprzepływowe powinny dostarczać spostrzeżeń związanych z odkrywaniem leków i projektowaniem urządzeń medycznych.

Albena Ivanisevic
Wiek: 29
Adiunkt, Uniwersytet Purdue
Wykorzystuje mikroskopijne końcówki do osadzania precyzyjnych wzorów peptydów bezpośrednio na tkankach organizmu. Jej technika, którą testuje na oczach świń, może pomóc w leczeniu, a nawet wyleczeniu ślepoty.

Ravi Kane
Wiek: 32
Adiunkt, Rensselaer Polytechnic Institute
Stworzyliśmy bardzo silne leczenie wąglika, w którym każda cząsteczka leku blokuje wiele cząsteczek toksyny, a nie tylko jedną. Rozszerza tę koncepcję na terapie anty-HIV.

Kinneret Keren
Wiek: 32
Staż podoktorski, Szkoła Medyczna Uniwersytetu Stanforda
Wykorzystuje samoorganizację opartą na biologii do budowy elektroniki molekularnej. Stworzyła samoorganizujące się urządzenie molekularno-elektroniczne – tranzystor z nanorurek węglowych – przy użyciu szablonu DNA.

Jamie Link
Wiek: 26
Doktorant, Uniwersytet Kalifornijski, San Diego
Wytrawione optyczne kody kreskowe w mikrometrowych kawałkach krzemu. Ma nadzieję, że wykorzysta tę technologię do wykrywania zanieczyszczeń w wodzie lub komórek rakowych w organizmie.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Wiek: 30
Adiunkt, University of Texas w Austin
Wynaleziono nanodruk transferowy, przyjazną dla środowiska technikę modelowania elementów w nanoskali na elektronice organicznej i obwodach z tworzyw sztucznych. Ten schemat nanomodelingu może zostać wykorzystany do wytwarzania elastycznych wyświetlaczy o dużej powierzchni i tanich ogniw słonecznych, a także może umożliwić nowe terapie medyczne i diagnostykę.

Tyler McQuade
Wiek: 33
Adiunkt, Uniwersytet Cornell
Tworzy katalizatory w celu zmniejszenia liczby kroków potrzebnych do syntezy leków, zmniejszając szkodliwe dla środowiska produkty uboczne. Ma nadzieję, że jeden system sprawi, że produkcja Prozacu, najlepiej sprzedającego się leku przeciwdepresyjnego, z czterech kroków do zaledwie jednego.

Teri Odom
Wiek: 30
Adiunkt,
Uniwersytet Północno-Zachodni
Wzorzysty krzem do tworzenia maleńkich zlewek mieszczących tylko zeptolitry (krzemowe nanostudzienki mają tylko 50 nanometrów średnicy), idealne do hodowli pojedynczych nanocząstek o określonej i jednolitej wielkości. Taka ultraprecyzja umożliwia dostosowanie cząstek do specjalistycznych zastosowań – jak na przykład ultraczułe czujniki chemiczne.

Erik Scher
Wiek: 28
Naukowiec badawczo-rozwojowy, Nanosys
Pracuje nad nieorganicznymi nanomateriałami półprzewodnikowymi, które pomagają Palo Alto w Kalifornii w opracowaniu tanich, elastycznych ogniw słonecznych. Partner Nanosys, Matsushita, planuje włączenie nanoogniw słonecznych do materiałów budowlanych.

Michał Dziwny
Wiek: 28
Adiunkt, University of Illinois, Urbana-Champaign
Uzyskano nowe zrozumienie chemii powierzchni nanorurek węglowych, które umożliwia sortowanie nanorurek węglowych według ich właściwości półprzewodnikowych, metalicznych lub izolacyjnych. To przełamuje główną przeszkodę, która uniemożliwiła stosowanie nanorurek w urządzeniach.

William Taylor
Wiek: 32
Dyrektor ds. inżynierii, ArvinMeritor
Przewodzi wysiłki na rzecz komercjalizacji plazmotronu, urządzenia kontrolującego zanieczyszczenia, które przekształca olej napędowy w wodór, zmniejszając emisje tlenku azotu nawet o 90 procent.

Tsuyoshi Yamamoto
Wiek: 31
Naukowiec, NEC
Zademonstrował pierwszą w historii dwukubitową bramkę logiczną w urządzeniu półprzewodnikowym, co jest krokiem niezbędnym do zbudowania ultraszybkiego komputera kwantowego.

Shu Yang
Wiek: 33
Adiunkt, University of Pennsylvania
Projektuje inteligentne urządzenia fotoniczne dla szybkich jak błyskawica komputerów i sieci komunikacyjnych. Podczas pracy w Bell Labs zaprojektowała płynny mikrosoczewkę, którą można elektronicznie zogniskować w ciągu milisekund, aby kierować sygnały świetlne wewnątrz światłowodów.

Yuankai Zheng
Wiek: 34
Naukowiec, Data Storage Institute (Singapur)
Uproszczono produkcję magnetycznej pamięci RAM, dzięki czemu ta szybka, nieulotna forma pamięci komputerowej jest tańsza i bardziej praktyczna. Magnetyczny chip RAM wielkości miniatury może przechowywać 32 gigabajty danych.

ukryć