211service.com
Nuo butelių raketų iki bioninių špinatų
Michaelas Strano dar vaikystėje paleido vandeniliu varomas raketas. Šiandien jo laboratorija kuria nanojutiklius, bioninius augalus, nanoskalės ledo laidus ir visiškai naują energijos šaltinį. 2017 m. vasario 22 d
Chemijos inžinerijos laboratorijoje Michaelo Strano darbo vietoje yra neįprastas žalumos masyvas: špinatai, rėžiukai ir rukola. Strano į augalus įvedė nanodaleles per jų lapus, kad suteiktų jiems naujų galimybių. Jūs nenorėtumėte jų valgyti, sako jis, rodydamas į sodrius salotų žalumynus. Šis skirtas švyti kaip stalinė lempa, o ta bando kalbėtis su jūsų mobiliuoju telefonu. Jis taip pat sukūrė špinatų augalus, kurie gali pajusti dirvožemyje esančius sprogmenis ir perduoti šią informaciją nuotoliniam stebėtojui.
Strano jau seniai dirbo su anglies nanovamzdeliais ir pradėjo juos naudoti kaip jutiklius augalams, žmonėms ir gyvūnams. Jis taip pat panaudojo nanodaleles, kad pagerintų augalų galimybes, kurdamas prietaisus, kurie, atrodo, ribojasi su moksline fantastika, pavyzdžiui, lempą augalas kaip stalo lempa. Pakeliui jis atrado, kaip nanovamzdeliai gali būti visiškai naujas energijos šaltinis. Jo darbai apima termodinamiką, medžiagų mokslą, nanotechnologijas ir dabar augalų biologiją – interesų santaką, kuri tebėra reta akademinės bendruomenės aukštumose.
Šioje laboratorijoje veikia kelios ekosistemos, sako Mike'as Lee, Strano grad studentas, dirbantis su jutikliais žuvyse. Jis toks aistringas vaikinas ir yra ko išmokti.
Kieme chemija
Strano kūrybinės rizikos istorija prasidėjo anksti. Užaugęs Pensilvanijoje, jis užsiėmė chemija ir elektronika. Jo tėvas, pradėjęs dirbęs elektriku „Bell Telephone“ Filadelfijoje, vėliau šeimą išsikraustė iš miesto ir įkūrė garso elektronikos parduotuvę. Būdamas 10 ar 11 metų Strano suprato, kaip elektrolizuoti sūrų vandenį, paleisdamas per jį srovę, kad išsiskirtų vandenilio dujos, kurias jis laikė stikliniuose buteliuose šaldiklyje. Kai jo vyresnysis brolis Johnas suabejojo, ar jis iš tikrųjų pagavo vandenilį, Strano parodė, kad įkišęs įkaitintą laidą per dangtelį, kad užsidegtų dujos, jis gali iššauti „Snapple“ butelį 100 pėdų aukštyje į orą. Po to visi išsigando, sako jis. Bet man tai buvo beveik kaip magija. Aš galėčiau priimti šias aiškias dujas ir nustebinti žmones.
Kai Strano buvo 12 metų, jo tėvas staiga mirė nuo širdies smūgio, palikdamas motiną su penkiais vaikais (Strano buvo antras pagal amžių). Mes kovojome, sako jis. Ir mokslas buvo produktyvi viso to išeitis. 1993 m. jis tapo pirmuoju savo šeimos nariu, kuris įstojo į Bruklino politechnikos mokyklą, kur daugiausia dėmesio skyrė chemijos inžinerijai. Jis priskiria mokyklai tvirtą matematinį ir analitinį pagrindą. Tai buvo tokia vieta, kurioje buvo akcentuojamas mokymas ir mokiniai buvo laikomi griežtais standartais: visa klasė gali gauti nieko aukštesnio už B, sako jis.
Inžinieriai nebuvo išmokyti žiūrėti į augalus kaip į technologijų pradžios tašką.
1997 m. Strano pradėjo daktaro laipsnį Delavero universitete, kurdamas akytas anglies membranas, kurios galėtų palengvinti chemines reakcijas. Jis taip pat dirbo su „DuPont“ remiamu projektu, kuriam sukūrė membraną, galinčią atskirti azotą ir deguonį nuo suslėgto oro. Nors beveik visi jo daktaro laipsnio kolegos dirbo pramonėje, Strano nusprendė tęsti karjerą akademinėje bendruomenėje ir toliau studijavo Rice universitete Hiustone.
Rice'e Strano prisijungė prie Richardo Smalley'io, chemiko, laimėjusio Nobelio premiją už darbą su anglies forma, vadinama buckyballs, laboratorijoje. Laboratorijoje buvau vienintelis postdoktorius, prisimena Strano ir paaiškino, kad Smalley, žinomai reiklus, tarsi išvijo visus kitus postdocs. Vis dėlto jam pavyko klestėti valdant Smalley, šviečiant lazeriams nanodaleles, kad sužinotų apie jų šviesą skleidžiančias savybes. Visų pirma jis sutelkė dėmesį į daleles, kurios spinduliuoja šviesą artimoje infraraudonųjų spindulių spektro dalyje. Ši savybė jam pasirodė reikšminga, nes žmogaus kūnas yra skaidrus beveik infraraudoniesiems spinduliams.
2006 m. tapęs Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign docentu, Strano nusprendė ištirti, ar galėtų šias nanodaleles įnešti į organizmą, kur jos galėtų veikti kaip jutikliai, jungtis prie molekulių ir per odą perduoti informaciją. fluorescencijos. Įrengdamas savo naują laboratoriją, jis atsidavė šiai vizijai. Jis sako, kad tada tai buvo nereali idėja, ir pažymėjo, kad buvo atlikta nedaug darbo, siekiant išsiaiškinti, ar nanodalelės galėtų veiksmingai tarnauti kaip jutikliai, ar net ar jos būtų saugios. (Vienas skeptiškas ankstyvasis apžvalgininkas idėją sukurti tokius nanojutiklius palygino su skardinių atidarytuvo įdėjimu į žmogaus kūną.) Strano metodas buvo paimti anglies nanodaleles ir padengti jas polimeru, kuris galėtų jungtis su gliukoze ir reaguoti į skirtingas cukraus koncentracijas. Kai išorinis prietaisas, kurį dėvėjo pacientas, apšvietė šviesą per odą, nanodalelės fluorescavo, o parašai svyravo priklausomai nuo gliukozės koncentracijos. (Jis taip pat atliko eksperimentus su gyvūnais, kad parodytų, jog nanodalelės atrodė saugios.) Iš pradžių Strano daugiausia dėmesio skyrė gliukozei, nes tikėjo, kad implantuojami jutikliai padės diabetu sergantiems žmonėms, pavyzdžiui, jo žmonos sūnėnui. Jo trumpalaikis tikslas buvo pašalinti poreikį dažnai matuoti cukraus kiekį kraujyje. Tačiau galutinis tikslas yra sukurti dirbtinę kasą, kuri galėtų išmatuoti cukraus kiekį kraujyje ir tiekti insuliną realiu laiku.
2007 m. Strano buvo įdarbintas MIT, kur jis uždirbo pareigas vos per dvejus metus. Jis tęsė darbą su nanojutikliais ir 2009 m. parodė, kad anglies nanovamzdeliai, įšvirkščiami po oda kaip tam tikra tatuiruotė, gali būti naudojami gliukozės kiekiui kraujyje matuoti. Laikui bėgant jis sukūrė ir daugybę kitų jutiklių. Ši technologija aptiko tokias molekules kaip fibrinogenas, svarbus kraujo krešėjimui, ir azoto oksidas, kuris yra pagrindinė signalinė molekulė širdies ir kraujagyslių sistemoje ir kitur. Jis taip pat stengėsi padidinti savo jutiklių jautrumą. Šių metų laikraštyje Gamtos nanotechnologijos , jis atskleidė jutiklius, galinčius identifikuoti atskiras baltymo molekules.
TERMĖS GALIA
Anksti dirbdamas MIT Strano taip pat atrado naują energijos gamybos mechanizmą – visiškai atsitiktinai. 2008 m. jis pradėjo dirbti su Jungtinių Valstijų oro pajėgų finansuojamu projektu, skirtu sukurti naujas pavaras, kurios greitai reaguotų į cheminį paleidiklį. Vykdydamas darbą, jis uždėjo sprogstamąjį TNT aplink anglies nanovamzdelių paviršių, kad galėtų stebėti, kokiu greičiu jis užsiliepsnojo toje aplinkoje. Tačiau atlikdamas matavimus jis pastebėjo, kad reakcija taip pat sukėlė didelį ir netikėtą elektros impulsą. Kitaip tariant, TNT reakcija ant anglies nanovamzdelio paviršiaus, atrodo, paverčia šilumą iš reakcijos į elektrą, sukeldama daug didesnius energijos pliūpsnius, nei tuo metu prognozavo mokslinė teorija.
Strano pirmasis pastebėjo šį reiškinį, kurį pavadino termoelektros banga. Tai buvo nauja ir jaudinanti idėja lakią cheminę reakciją paversti labai galingu elektros impulsu, sako Kourosh Kalantar-Zadeh, Australijos RMIT universiteto Pažangios elektronikos ir jutiklių centro direktorius. Be teorinio susidomėjimo chemikams, šis atradimas atvėrė duris naujiems energijos šaltiniams. Kai kuriais atvejais mokslininkai ar vartotojai gali norėti šaltinių, galinčių tiekti didelius energijos kiekius per trumpą laiką. Dėl šilumos energijos bangų tai būtų įmanoma, ir teoriškai jos gali likti nenaudojamos neribotą laiką neprarandant energijos. Kadangi saugojimui naudojami cheminiai ryšiai, energijos šaltiniai, naudojantys šį mechanizmą, būtų labiau panašūs į kurą dujų bake, o ne į ličio jonų mobiliojo telefono akumuliatorių, kuris lėtai išsikrauna ir išsenka, sako Strano. Neseniai jis taip pat parodė, kad termoelektrinės bangos gali būti generuojamos nenaudojant sprogmenų ar aukštos temperatūros. Tiksliau, jis uždėjo acetonitrilo ant nanovamzdelių ir leido jam išgaruoti; to cheminio pokyčio, pasirodo, pakanka elektros srovei sukurti. Strano ir kiti visame pasaulyje pradėjo eksperimentuoti su paprastais prietaisais, kurie gali panaudoti termoelektros bangas, tačiau jis sako, kad programos tebėra ankstyvosiose stadijose.
Strano laboratorijoje nanodalelės buvo įterptos į špinatų ir rukolos sodinukus, sukurdamos augalus, kurie jaučia chemines medžiagas arba skleidžia šviesą.
BIONINIAI AUGALAI
2009 m. Strano pirmą kartą savo nuostabią vaizduotę nukreipė į augalų biologiją. Iš pradžių jis manė, kad nepaprastas augalų gebėjimas regeneruoti pagrindinius baltymus gali įkvėpti saulės energijos problemos sprendimo būdus: saulės spindulių poveikis palaipsniui pablogina daugybę saulės spindulių fiksavimui naudojamų medžiagų. energijos. 2010 m. Strano komanda sukūrė sintetinių molekulių rinkinį, kuris, laikomas tirpale, gali spontaniškai susiburti į fotovoltinę struktūrą; ląstelė suyra, kai į tirpalą pridedama aktyviosios paviršiaus medžiagos, bet greitai susirenka, kai paviršinio aktyvumo medžiaga išfiltruojama. Netrukus po to jis pradėjo sutelkti dėmesį į kitas augalų fiziologines galimybes: pavyzdžiui, jie patys gamina energiją, siurbia vandenį ir suvartoja daugiau anglies dioksido nei pagamina. Mano srityje inžinieriai nebuvo mokomi žiūrėti į augalus kaip į technologijų atspirties tašką, sako Strano. Tačiau jis pradėjo galvoti apie juos kaip apie mikrofluidinius tinklus, turinčius skysčių transportavimo mechanizmą viduje, o jų chloroplastus, struktūras, kuriose vyksta fotosintezė, galima palyginti su cheminėmis baterijomis. Galite sudaryti supaprastintą augalų perspektyvą, kuri labai patinka tokiems inžinieriams kaip aš, sako jis.
2011 m. Strano pasamdė biologą Juaną Pablo Giraldo kaip doktorantūros studijas. Giraldo, kuris dabar yra Kalifornijos universiteto Riverside docentas, sako, kad jautė energijos, kad padėtų sujungti nanomedžiagų ir gyvosios organinės medžiagos pasaulius. Straipsnyje 2014 m Gamtos medžiagos , komanda parodė, kad augalai anglies nanodaleles pasisavins per apatinėje lapų pusėje esančias poras, vadinamas stomata, ir kad šios dalelės pateks į augalų chloroplastus. Po šio atradimo mokslininkai pristatė nanodaleles, kurios leido lapams sugerti šviesos bangos ilgius, kurių augalai paprastai nenaudoja, ir efektyviai išplėtė jų fotosintezės diapazoną. Tyrėjai taip pat tiekė daleles, kurios tarnauja kaip antioksidantai ir taip apsaugo chloroplastus nuo žalos, kurią sukelia intensyvus saulės spindulių poveikis. Dėl to jie sugebėjo 30 procentų padidinti augalų fotosintezės potencialą. Ši išvada teoriškai galėtų būti panaudota siekiant padėti augalams geriau augti didelio tankio aplinkoje, kur jie gauna ribotą šviesą matomame diapazone ir gali pasinaudoti galimybe panaudoti kitus bangos ilgius.
Tame pačiame dokumente Strano, Giraldo ir jų kolegos taip pat parodė, kad jie gali paversti augalus azoto oksido, teršalo, kuris prisideda prie rūgštaus lietaus, jutikliais. Tyrėjai tai padarė įvyniodami nanodaleles į polimerus, kurie galėtų selektyviai sąveikauti su azoto oksidu, o tada įvesdami tas daleles į augalus. Kai buvo azoto oksido, pasikeitė pagrindinės nanodalelės spinduliuoja šviesą. 2016 m. Strano grupė špinatų lapus pavertė nitroaromatinių junginių, tam tikros rūšies sprogmenų, jutikliais, į lapus įtraukdama anglies nanovamzdelius, padengtus selektyviais polimerais. Teoriškai, jei nitroaromatinių medžiagų būtų požeminiame vandenyje, augalai galėtų juos aptikti ir išsiųsti pranešimą į netoliese esantį įrenginį, pavyzdžiui, infraraudonųjų spindulių kamerą, prijungtą prie mažo kompiuterio, ar net mobilųjį telefoną be infraraudonųjų spindulių filtro. (Šios sistemos praktinė svarba nėra visiškai aiški, tačiau ji siūlo būdą, kaip aptikti sausumos minas ar teršalus požeminiame vandenyje.)
Strano sako, kad šį augalo darbą ypač malonu aptarti su jo dukromis, kurioms 11, devyneri, septyneri ir ketveri metai. Bioniniai augalai – dabar tai iš tikrųjų yra pokalbis su septynmečiu, sako jis. Strano ir jo šeima gyvena Leksingtone, Masačusetso valstijoje, kur yra puikių valstybinių mokyklų; Tačiau kadangi jo vyriausioji dukra buvo pakankamai sena ikimokyklinio ugdymo įstaigai, jis ir jo žmona Sally, buvusi matematikė, nusprendė vaikus lavinti namuose. Jie priklauso mokymo namuose kooperatyvui, kuris renkasi kartą per savaitę ir sukuria tam tikrą struktūrą, tačiau didžioji jų dalis yra laisvai pasirenkama (išskyrus matematiką, kuri, pasak Strano, reikalauja kasdienių pratimų). Merginos ilgas valandas praleidžia bibliotekoje, skaitydamos savarankiškai. Du iš jų neseniai lydėjo tėvą į kelionę į Japoniją, kur sužinojo apie japonų kultūrą ir keletą kalbos žodžių.
Žinoma, Strano ypač džiaugiasi galėdamas mokyti vaikus gamtos mokslų. Aš rimtai žiūriu į savo įgaliojimus, sako jis. Turiu keturias merginas ir negaliu garantuoti, kad jos visos pateks į STEM, bet tai eina link to. Jis ir jo žmona skatina vaikus kurti eksperimentus ir užsiimti bet kokiais juos dominančiais klausimais. 11-metis, mėgstantis šerti ir amatai, parengė projektą, kaip kukurūzų krakmolo pagrindu pagamintos gleivės slysta nuožulnia plokštuma. Paukščius mylintis devynmetis naudojo laiko intervalo kamerą, kad ištirtų, kurios rūšys kartu maitinasi paukščių lesykloje. Merginos taip pat reguliariai lankosi Strano laboratorijoje, kur iš pirmų lūpų gali pamatyti savo tėvo projektus.
Laboratorijoje vykstantys žaismingesni užsiėmimai yra elektroniniai prietaisai, pagaminti iš augalų. Strano ir jo mokiniai daugiausia dėmesio skiria nuotolinio valdymo pultams, kurie paprastai bendrauja naudodami infraraudonųjų spindulių energiją. Modifikuodami augalus nanodalelėmis taip, kad jie išskirtų infraraudonųjų spindulių energiją, pavyzdžiui, reaguodami į vartotojo norą įjungti televizorių, mokslininkai gali padėti augalams atlikti tokias pačias funkcijas kaip ir šios programėlės. Manome, kad galime pakeisti kai kuriuos įrenginius, kurie šiuo metu yra išspausti iš plastiko, sako Strano ir priduria, kad tikslas yra sukurti ekologiškesnę elektronikos klasę. Tačiau iššūkis imituojant nuotolinio valdymo pultus yra tas, kad jų signalizacija vyksta labai greitai, maždaug milisekundėmis, o augalai nemėgsta taip greitai judėti. (Taip pat stebisi augalinės elektronikos, kuriai reikia vandens, likimo, kai jų savininkai atostogauja. Prietaisai turėtų laistyti patys, sako Strano.)
Mike'as Lee, kuris yra antrojo kurso magistrantūros studentas, yra atsakingas už didelio auksinių žuvelių akvariumo laikymą laboratorijos rūsyje ir nanodalelių pagrindu veikiančių jutiklių kūrimą, kuriuos galima įleisti į juos, kad būtų galima pajusti streso hormono arba kortizolio koncentraciją. Šis projektas yra bendradarbiaujant su Saudo Arabijos Karaliaus Abdullah mokslo ir technologijų universiteto mokslininkais, kurie planuoja paleisti žuvis į Raudonąją jūrą, analizuodami jų kortizolio kiekį, reaguodami į aplinkos sąlygas.
Visai neseniai Strano padarė nuostabų atradimą apie paties vandens elgesį anglies nanovamzdelių ribose. Straipsnyje, paskelbtame m Gamtos nanotechnologijos lapkritį jis parodė, kad labai specifinio skersmens nanovamzdelio viduje, esant bent 105 °C temperatūrai, vanduo suformavo kietą medžiagą, panašiai kaip ledas. Kai skystis yra uždaroje aplinkoje, jo fazinis elgesys iškraipomas, tačiau tai yra kraštutinis atvejis, sako jis. Tyrėjai gali sukurti mažyčius laidus, pagamintus iš kieto vandens, kurie būtų stabilūs kambario temperatūroje ir leistų labai efektyviai protonus, kaip žinoma, kad vanduo. Pavyzdžiui, tai gali būti naudinga kuriant geresnius vandenilio kuro elementus. Strano sako, kad jam malonu ištirti ledo nanolaidelių savybes, tačiau jis priduria, kad žiuri nusprendžia, ar jie bus naudingi.