TR 100 Nanotech

Nanotech – videnskaben om at bygge og manipulere strukturer på molekylært niveau – lover friske perspektiver på og uventede løsninger på en lang række eksisterende problemer inden for halvledere, optik, sansning og bioteknologi. Mange af dette års TR100-belønnede, fast besluttet på at skabe nye gennembrud, henvender sig til nanoteknologi for at opnå et hidtil uset niveau af præcision, kontrol og fleksibilitet i at skabe nye materialer og enheder. Nanomaterialerne opfundet af denne elitegruppe lover alt fra hurtigere og mindre elektronik til mere effektive og målrettede terapier. Når du kommer til nano-længdeskalaerne, kan du få unikke egenskaber, siger Yi Cui fra University of California, Berkeley. TR100s Nanotech+-kategori omfatter en bred vifte af innovationer og forskning inden for materialevidenskab og energi. Men det er på skalaen af ​​det ultrasmalle, at mange af dette års TR100 yder deres største bidrag.

Meget af handlingen er inden for biomedicin. Det skyldes, at nanomaterialer har den helt rigtige størrelse til at interagere med vigtige biologiske aktører, såsom proteiner, DNA-molekyler og vira. At anvende nanoteknologi til biomedicinske problemer er en naturlig pasform, siger Darrell Irvine , en biomedicinsk-ingeniør professor ved MIT.

Irvine hjælper med at bygge bedre vacciner mod sygdomme som malaria og kræft ved at designe nanopartikler af en syntetisk polymer. Nanopartiklerne, som bærer specifikke stimulerende molekyler og antigener, optages af immunceller og udløser et immunrespons. På grund af deres lille størrelse kan nanopartiklerne levere molekylerne med et højt niveau af præcision til specifikke receptorer inde i celler. Det betyder bedre kontrol over styrken og typen af ​​det resulterende immunrespons, hvilket burde give mere effektive vacciner. Irvine er for nylig begyndt at arbejde med medicinske forskere ved Harvard University for at undersøge materialer, der kunne bruges til at levere en HIV-vaccine.

Albena Ivanisevic , en kemiprofessor ved Purdue University, anvender en teknik kaldet dip-pen nanolitografi til at hjælpe med at løse et centralt problem for vævsingeniører, der håber at reparere beskadigede kropsdele: at kontrollere den præcise vækst af celler på bestemte steder. Ivanisevic belægger mikroskopiske spidser med celle-nærende peptidmolekyler; spidserne afsætter derefter peptiderne på en overflade. Evnen til at arrangere disse peptidmolekyler med nanoskala-præcision giver Ivanisevic større kontrol over, hvordan og hvor celler vil vokse på overfladen - og i sidste ende danner nyt væv til kroppen.

Nanotech åbner også op for nye muligheder for dem, der arbejder for mere effektivt at udnytte eller manipulere lys. Som enhver, der nogensinde har været nødt til at skifte en pære, måske har mistanke om, er konventionel glødelampe baseret på en 150 år gammel teknologi, og forskere leder ivrigt efter nye måder at forlænge levetiden og øge effektiviteten af ​​lys-emitterende materialer. Et af forskernes yndlingslegetøj på området er kvanteprikker - nanopartikler af halvledermateriale, der afgiver forskellige farver lys afhængigt af deres størrelse. Og Vladimir Bulovic , en professor i elektroteknik ved MIT, bruger disse hårdføre, farvestrålende nanoprikker til at genopfinde pæren. Fra kvanteprikker har Bulovic bygget nye lysemitterende dioder, der kan indarbejdes i fleksible materialer som plastik og skal holde meget længere end typiske pærer. Mens andre, inklusive Bulovic selv, allerede har udviklet organiske lysemitterende dioder, siger Bulovic, at kvanteprikker kan forlænge deres effektive levetid, hvilket gør dem mere anvendelige. Han håber at producere et meget effektivt og langtidsholdbart lysemitterende fleksibelt materiale i løbet af de næste et til to år.

Marcel Bruchez , ledende produktudviklingsforsker ved Quantum Dot i Hayward, CA, rekrutterer også de glødende nanopartikler, men til biologisk billeddannelse og udvikling af diagnostik. Kvanteprikker udsender lys i meget længere tid end de konventionelle farvestoffer, der bruges til at spore aktivitet inde i levende celler, og deres varierede farver betyder, at forskere samtidigt kan afbilde flere begivenheder og få større indsigt i cellernes indre funktion. For Bruchez er fordelen ved at arbejde med nanomaterialer, at de åbner op for helt nye måder at tænke problemer på. Det giver dig større fleksibilitet til at manipulere materialerne og placere dem, hvor du vil have dem, siger Bruchez.

Elektronikforskere, der forfølger stadig mindre og hurtigere kredsløb, gør også fremskridt ved hjælp af nanoteknologi. Siliciumindustrien er allerede i nano-regimet, påpeger Kinneret Keren, en forsker ved Stanford University. Nu prøver de mere for det molekylære regime. Det betyder at bruge molekyler såsom kulstof-nanorør til at bygge næste generations elektriske kredsløb. Mens andre forskere allerede har lavet transistorer af individuelle halvledende nanorør, besluttede Keren at tage fat på processen med at samle sådanne transistorer. Hendes trick var at fastgøre komplementære stykker DNA til et nanorør og til en siliciumwafer; fordi de to stykker DNA naturligt var bundet til hinanden, gjorde de arbejdet med at bringe nanorøret og waferen sammen for at producere en transistor. Mens Kerens proces forbliver en laboratoriepræstation, kan den i sidste ende tilbyde en ny metode til effektivt at fremstille små kredsløb, hvor hver transistor er et enkelt molekyle.

Mens forskere som Keren rekrutterer biomolekyler til at hjælpe med at fremstille elektronik, Mayank Bulsara holder fast i traditionelt silicium – men manipulerer det på nye måder. Bulsara, medstifter og teknologichef for AmberWave Systems i Salem, NH, er ved at udvikle en ny form for silicium, der lover at gøre computerchips 20 procent hurtigere og samtidig sænke strømforbruget med 30 til 40 procent. Nøglen er at strække en siliciumkrystal ved at trække dens atomer fra hinanden blot et par tusindedele af en nanometer - som et gummibånd, siger Bulsara. Denne strækning ændrer materialets egenskaber, så elektronerne, der ræser gennem det, er mindre tilbøjelige til at kollidere med siliciumatomer, spredes og sænke farten. Bulsara håber at have chips indeholdende det strakte silicium på markedet i større mængder inden udgangen af ​​næste år.

Dette års TR100 er lige begyndt at demonstrere resultaterne af nanotechs forsøg på spændende nye områder, men at tage deres arbejde ud i den virkelige verden giver sine egne problemer. Den største udfordring er at finde på måder at producere nanomaterialer på over store nok arealer, siger Bulovic. Men når den udfordring endelig er opfyldt, skal du ikke blive overrasket, hvis de stigende stjerner, du vil læse om på de næste sider, var blandt dem, der var med til at vise vejen.

TR100 Startups i Nanotech+
Innovator	Firma stiftet/Medstiftet	Teknologi/Milepæle
Marcel Bruchez	Quantum Dot (Hayward, CA)	Fluorescerende nanokrystaller fremstillet af halvledermateriale til biologisk mærkning og diagnostik; mere end 1.000 kunder
Mayank Bulsara	AmberWave Systems (Salem, NH)	Anspændt silicium til hurtigere, mindre strømkrævende halvlederbaserede enheder; produkter, der indeholder teknologien, kan være bredt tilgængelige i slutningen af ​​2005
Leroy ohlsen	Neah Power Systems (Bothell, WA)	Siliciumbaserede brændselsceller til bærbare computere og andre bærbare elektroniske enheder; første produkt kunne være på markedet i 2006

Nanoteknologiske profiler

Marcel Bruchez
Alder: 31 | Medstifter og ledende stabsforsker | Quantum Dot
For seks år siden viste Marcel Bruchez, dengang en kandidatstuderende ved University of California, Berkeley, at kvanteprikker - glødende partikler kun nanometer brede - kunne bruges til at mærke proteiner inde i celler. Inden for måneder havde Bruchez medstiftet Quantum Dot for at markedsføre det nye billeddannelsesværktøj til biologer og lægemiddeludviklere, der søger et mere detaljeret billede af molekylære begivenheder. Det er en af ​​de første kommercielle anvendelser af nanoteknologi, siger Bruchez.

Yi Cui
Alder: 28 | Forskningsstipendiat | University of California, Berkeley
Mens nogle nanoteknologiske forskere skaber de grundlæggende byggesten af ​​nye materialer, spiller andre, som Yi Cui, lige så vigtige roller i at samle disse blokke og tage de næste skridt mod praktiske anvendelser. Cuis evne til fint at kontrollere samlingen af ​​nanobyggesten har ført til nye enheder, der kan ende i kræftscreeningschips, kvantecomputere og solceller.

Som ph.d.-studerende i kemi ved Harvard University lavede Cui banebrydende arbejde på nanotråde, ved at bruge en kombination af lasere og kemiske dampe til at cajole silicium til at danne små ledninger, der ikke kun ledte elektroner, men også kunne slukke og tænde en strøm som en transistor. Cui fremstillede endda nanotråde, hvis skift afhang af tilstedeværelsen af ​​specifikke proteiner, så de kunne tjene som ultrafølsomme biosensorer i test for tidlige tegn på prostatacancer.

Hos Berkeley har Cui fortsat med at mestre kunsten at bygge funktionelle enheder på nanoskalaen. Senest har han fundet måder til præcist at sammenkæde nye typer af nanobyggesten kaldet nanotetrapods – pletter af materiale på få nanometer brede, hver med fire nanorods, der stråler ud i forskellige retninger. Mens andre forskere tidligere har lavet nanotetrapoder, kan Cui forbinde mange af dem sammen for at skabe et net af kredsløb og fint kontrollere deres elektriske egenskaber. Vi kan få nanotetrapoderne til at samle sig selv i et hvilket som helst mønster, vi har brug for, inklusive arrays af transistorer, siger Cui. På grund af deres lille størrelse kunne disse kredsløb i teorien være flere gange hurtigere end kredsløbene i nutidens computerchips.

Ved at arrangere nanotetrapoder i forgrenede netværk, har Cui forvandlet dem fra en rå ingrediens til noget, der kan være indbygget i rigtige enheder, såsom solceller. Og fordi nanotetrapoderne er små nok til at registrere tilstedeværelsen af ​​individuelle elektroner, kunne de endda drage fordel af subatomære partiklers underlige kvanteegenskaber og danne grundlag for nye typer computere, der vil fungere tusindvis af gange hurtigere end nutidens hurtigste maskiner. Mens den applikation er mange år væk, har Cui allerede demonstreret muligheden for at bygge nye strukturer ved hjælp af de grundlæggende ingredienser i nanoteknologi.

Leroy ohlsen
Alder: 30 | Grundlægger og teknologichef | Neah Power Systems
Brændselsceller, der kører på methanol, kan drive mobiltelefoner og bærbare computere, men de er dyre og ikke særlig kraftige. Leroy Ohlsen, grundlægger af Neah Power Systems i Bothell, WA, erstattede cellernes plastikmembraner, som fjerner elektroner fra methanolen for at producere elektricitet, med porøst silicium. Ikke alene giver silicium os mere kraft, siger Ohlsen, men det kan også reducere produktionsomkostningerne. Forvent virksomhedens første brændselsceller i 2006.

Molly Stevens
Alder: 30 | Foredragsholder | Imperial College London
Materialeforsker Molly Stevens mener, at når det kommer til at fornemme ændringer i miljøet, er der intet, der slår biologiske systemer. Det er derfor, hun henvender sig til biologiske molekyler for at skabe smarte nanomaterialer, der kan føre til nye, implanterbare sansnings- og lægemiddelleveringsenheder.

Sådanne anordninger vil hurtigt opdage fysiologiske ændringer i kroppen, såsom en stigning i kolesterol, og reagere ved at frigive den passende dosis af et opbevaret lægemiddel. Det er i hvert fald visionen. Men at indse det vil kræve nye slags materialer, der opfører sig anderledes under forskellige kemiske forhold.

Stevens har for nylig vist, at hun kan kontrollere opførselen af ​​guldnanopartikler ved at ændre pH-værdien af ​​den opløsning, hvori de er suspenderet. Hun knyttede partiklerne til specialdesignede peptidmolekyler, der under de rette pH-forhold interagerer med hinanden for at trække partiklerne sammen til en organiseret struktur. En ændring i pH ændrer peptidernes form, så de frastøder hinanden, og partiklerne spredes. Vi tager det bedste af naturens kreativitet og bruger den til os selv, siger Stevens.

Forsøget viser, at det er muligt at skabe materialer, der automatisk omformer sig selv som reaktion på kemiske ændringer i kroppen. Et sådant materiale kunne give implanterbare lægemiddelleveringsanordninger, der fungerer som deres egne biologiske sensorer.

Stevens udnytter alsidigheden af ​​peptider til den næste fase af hendes arbejde. Hun konstruerer nu peptiderne, så de ændrer form på mere subtile og mere varierede måder. En lægemiddelleveringsanordning fremstillet under anvendelse af sådanne peptider ville være mere følsom over for fysiologiske ændringer og kunne tilbyde mere kontrol over en lang række forskellige lægemiddeldoser. Hvis hendes nye projekt lykkes, vil Stevens have spillet en afgørende rolle i at gøre ikke kun nanomaterialer, men lægemiddellevering langt smartere.

Vladimir Bulovic
Alder: 34
Lektor, MIT
Bruger organiske og nanostrukturerede halvledere i enheder som lysemitterende dioder, lasere, fotodetektorer og kemiske sensorer. Startup-virksomheder har licenseret mange af hans 30 amerikanske patenter.

Mayank Bulsara
Alder: 32
Medstifter og teknologichef, AmberWave Systems
Medstiftede Salem, NH-baserede AmberWave for at udvikle anstrengt silicium, en avanceret form for silicium, der får computerchips til at køre hurtigere og forbruger mindre strøm.

Dustin Carr
Alder: 34
Hovedmedlem af teknisk personale, Sandia National Laboratories
Skaber siliciumenheder i nanoskala, der kan registrere bevægelser i subatomisk skala. Nanodetektorerne kunne f.eks. bruges i ultrapræcise accelerometre til flynavigation.

Martin Culpepper
Alder: 32
Adjunkt, MIT
Bygger de maskiner, der er nødvendige for at gøre højkvalitets, billig nanofabrikation til virkelighed. Hans nanomanipulatorer er mere fleksible og tilbyder højere ydeevne end eksisterende versioner - til en tyvendedel af prisen.

Delmaus glæde
Alder: 33
Forskningsmedarbejder, Oak Ridge National Laboratory
Var med til at løse fundamentale problemer inden for atomaffaldsbehandling, der førte til en økonomisk proces til oprydning af mere end 100.000 kubikmeter radioaktivt affald på Savannah River Site i South Carolina, som administrerer det amerikanske atomlager.

Martha Gardner
Alder: 33
Statistiker, General Electric
Skabte statistiske modeller og designsoftware for at gøre materialeudvikling mere effektiv. Ved hjælp af hendes metoder har ingeniører skåret produktudviklingstiden ned med 90 procent.

Verena Graf
Alder: 32
Ingeniør, DaimlerChrysler
Udvikler brændselsceller, der er praktiske til at drive biler: de er robuste, starter hurtigt op og har fremragende effekttæthed, uanset vejret.

Yu Han
Alder: 27
Postdoc-stipendiat, Institute of Bioengineering and Nanotechnology (Singapore)
Syntetiserede partikler i nanoskala med små, præcist definerede porer. Hans materialer kan bruges til kontrolleret levering af lægemidler eller til genterapi.

Stefan Hecht
Alder: 30
Adjunkt, Frie Universitet i Berlin
Udtænkt en ny klasse af polymer nanorør og andre molekylære byggesten. Disse nye materialer har potentielle anvendelser i fremstillingen af ​​elektroniske enheder i nanostørrelse.

Darrell Irvine
Alder: 31
Adjunkt, MIT
Fremstiller nanopartikler, der frigiver kemikalier inde i kroppen for at programmere immunceller til at bekæmpe virusinfektioner som HIV, til at tolerere transplantationer eller endda til at ødelægge ondartede tumorer.

Rustem Ismagilov
Alder: 31
Adjunkt, University of Chicago
Udvikler mikrofluidikteknologier, der bruger bittesmå dråber til at karakterisere funktionen og strukturen af ​​proteiner og til at modellere komplekse biokemiske processer. De mikrofluidiske modeller bør give indsigt, der er relevant for lægemiddelopdagelse og design af medicinsk udstyr.

Albena Ivanisevic
Alder: 29
Adjunkt, Purdue University
Bruger mikroskopiske spidser til at deponere præcise mønstre af peptider direkte på væv i kroppen. Hendes teknik, som hun tester i griseøjne, kan hjælpe med at behandle eller endda helbrede blindhed.

Ravi Kane
Alder: 32
Adjunkt, Rensselaer Polytekniske Institut
Skabt en yderst potent miltbrandbehandling, hvor hvert lægemiddelmolekyle blokerer flere toksinmolekyler i stedet for kun ét. Han udvider konceptet til anti-HIV-terapier.

Kinneret Keren
Alder: 32
Postdoktor ved Stanford University Medical School
Udnytter biologibaseret selvsamling til at bygge molekylær elektronik. Hun skabte en selvsamlet molekylær-elektronisk enhed - en carbon nanorør-transistor - ved hjælp af en DNA-skabelon.

Jamie Link
Alder: 26
Doktorand, University of California, San Diego
Ætset optiske stregkoder i mikrometer-størrelse stykker af silicium. Hun håber at bruge teknologien til at opdage forurenende stoffer i vand eller kræftceller i kroppen.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Alder: 30
Adjunkt, University of Texas i Austin
Opfundet nanotransferprint, en miljøvenlig teknik til mønstre af funktioner i nanoskala på organisk elektronik og plastikkredsløb. Dette nanomønstersystem kunne bruges til at lave fleksible skærme med store arealer og billige solceller, og det kunne muliggøre nye medicinske terapier og diagnostik.

Tyler McQuade
Alder: 33
Adjunkt, Cornell University
Skaber katalysatorer for at reducere antallet af nødvendige trin for at syntetisere lægemidler, hvilket mindsker miljøfarlige biprodukter. Han håber, at et system vil tage fremstillingen af ​​Prozac, et bedst sælgende antidepressivt lægemiddel, fra fire trin til kun ét.

Teri Odom
Alder: 30
Assisterende professor,
Northwestern University
Mønstret silicium til at skabe små bægerglas, der kun rummer zeptoliter (siliciumnanobrøndene er kun 50 nanometer på tværs), ideel til at dyrke individuelle nanopartikler af specifik og ensartet størrelse. En sådan ultrapræcision gør det muligt at skræddersy partikler til specialiserede anvendelser - som for eksempel ultrafølsomme kemiske sensorer.

Erik Scher
Alder: 28
Forsknings- og udviklingsforsker, Nanosys
Arbejder på uorganiske halvleder nanomaterialer, der hjælper Palo Alto, CA-baserede Nanosys med at udvikle billige, fleksible solceller. Nanosys’ partner, Matsushita, planlægger at inkorporere nanosolcellerne i byggematerialer.

Michael Strange
Alder: 28
Adjunkt, University of Illinois, Urbana-Champaign
Ankom til en ny forståelse af kulstofnanorørs overfladekemi, der gør det muligt at sortere kulstofnanorør efter deres halvledende, metalliske eller isolerende egenskaber. Dette bryder den store vejspærring, der har forhindret nanorørs brug i enheder.

William Taylor
Alder: 32
Ingeniørdirektør, ArvinMeritor
Spydspidsen for bestræbelserne på at kommercialisere plasmatronen, en forureningskontrolenhed, der omdanner dieselbrændstof til brint, hvilket reducerer nitrogenoxidemissioner med op til 90 procent.

Tsuyoshi Yamamoto
Alder: 31
Forsker, NEC
Demonstrerede den første to-qubit logiske gate nogensinde i en solid state-enhed, et fremskridt, der er afgørende for at bygge en ultrahurtig kvantecomputer.

Shu Yang
Alder: 33
Adjunkt, University of Pennsylvania
Designer smarte fotoniske enheder til lynhurtige computere og kommunikationsnetværk. Mens hun var på Bell Labs, udviklede hun en flydende mikrolinse, der kan fokuseres elektronisk på millisekunder for at dirigere lyssignaler inde i optiske fibre.

Yuankai Zheng
Alder: 34
Forsker, Data Storage Institute (Singapore)
Forenklet produktionen af ​​magnetisk RAM, hvilket gør denne hurtige, ikke-flygtige form for computerhukommelse billigere og mere praktisk. En magnetisk RAM-chip på størrelse med miniaturebilleder kunne lagre 32 gigabyte data.

skjule