211service.com
No pudeles raķetēm līdz bioniskajiem spinātiem
Maikls Strano bērnībā palaida ar ūdeņradi darbināmas raķetes. Šodien viņa laboratorija izstrādā nanosensorus, bioniskos augus, nanomēroga ledus stieples un pavisam jaunu enerģijas avotu. 2017. gada 22. februāris
Ķīmiskās inženierijas laboratorijai Maikla Strano darbvietā ir neparasts zaļumu klāsts: spināti, kreses un rukola. Strano ir ieviesis augos nanodaļiņas, izmantojot to lapas, lai piešķirtu tiem jaunas iespējas. Jūs tos negribētu ēst, viņš saka, norādot uz sulīgiem salātu zaļumiem. Šis ir paredzēts, lai spīdētu kā galda lampa, un tas mēģina runāt ar jūsu mobilo tālruni. Viņš ir arī radījis spinātu augus, kas spēj sajust sprāgstvielas augsnē un pārraidīt šo informāciju attālam novērotājam.
Strano jau ilgu laiku ir strādājis ar oglekļa nanocaurulēm un aizsācis to izmantošanu kā sensorus augos, kā arī cilvēkiem un dzīvniekiem. Viņš ir arī izmantojis nanodaļiņas, lai uzlabotu augu spējas, radot ierīces, kas, šķiet, tuvojas zinātniskajai fantastikai, piemēram, augu kā galda lampu. Pa ceļam viņš ir atklājis, kā nanocaurules var kalpot kā pilnīgi jauns enerģijas avots. Viņa darbs aptver termodinamiku, materiālu zinātni, nanotehnoloģiju un tagad arī augu bioloģiju — interešu saplūšanu, kas akadēmisko aprindu augštecēs joprojām ir reti sastopama.
Mums šajā laboratorijā darbojas vairākas ekosistēmas, saka Maiks Lī, Strano grad students, kurš strādā ar sensoriem zivīs. Viņš ir tik kaislīgs puisis, un ir tik daudz ko mācīties.
Piemājas ķīmija
Strano radošās riska uzņemšanās vēsture sākās agri. Uzaudzis Pensilvānijā, viņš nodarbojies ar ķīmiju un elektroniku. Viņa tēvs, kurš savu darbu sāka kā elektriķis uzņēmumā Bell Telephone Filadelfijā, vēlāk pārcēla ģimeni no pilsētas, lai izveidotu audio elektronikas veikalu. 10 vai 11 gadu vecumā Strano izdomāja, kā elektrolizēt sālsūdeni, palaižot caur to strāvu, lai atbrīvotu ūdeņraža gāzi, ko viņš glabāja stikla pudelēs saldētavā. Kad viņa vecākais brālis Džons apšaubīja, vai viņš patiešām ir uztvēris ūdeņradi, Strano parādīja, ka, ievietojot sakarsētu stiepli caur vāciņu, lai aizdedzinātu gāzi, viņš varētu izšaut Snapple pudeli 100 pēdu augstumā. Pēc tam visi bija nobijušies, viņš saka. Bet man tas bija gandrīz kā maģija. Es varētu pieņemt šo skaidru gāzi un pārsteigt cilvēkus.
Kad Strano bija 12 gadi, viņa tēvs pēkšņi nomira no sirdslēkmes, atstājot māti ar pieciem bērniem (Strano bija otrais vecākais). Mēs cīnījāmies, viņš saka. Un zinātne bija produktīvs noiets no visa tā. 1993. gadā viņš kļuva par pirmo savas ģimenes locekli, kas apmeklēja koledžu — Bruklinas Politehniku, kur pievērsās ķīmijas inženierijai. Viņš atzīst, ka skola nodrošina spēcīgu matemātisko un analītisko pamatu. Tā bija tāda vieta, kurā tika uzsvērta mācīšana un studenti tika ievēroti stingri standarti: visa klase varētu iegūt neko augstāku par B, viņš saka.
Inženieri nav apmācīti aplūkot augus kā tehnoloģiju sākumpunktu.
1997. gadā Strano uzsāka doktora grādu Delavēras Universitātē, lai izveidotu porainas oglekļa membrānas, kas varētu atvieglot ķīmiskās reakcijas. Viņš arī strādāja pie projekta, ko sponsorēja DuPont un kuram viņš izstrādāja membrānu, kas varētu atdalīt slāpekli un skābekli no saspiesta gaisa. Kamēr gandrīz visi viņa doktora grāda kolēģi devās uz darbu rūpniecībā, Strano nolēma turpināt karjeru akadēmiskajā vidē, pārejot uz pēcdoktorantūras stipendiju Rīsas universitātē Hjūstonā.
Raisā Strano pievienojās Ričarda Smolija laboratorijai, ķīmiķim, kurš bija ieguvis Nobela prēmiju par darbu pie oglekļa veida, ko sauc par bumbiņām. Es biju vienīgais pēcdoktors laboratorijā, atceras Strano, skaidrojot, ka bēdīgi prasīgā Sīlija bija it kā padzinusi visus pārējos pēcdoktorus. Tomēr viņam izdevās attīstīties Smalley vadībā, spīdinot lāzerus uz nanodaļiņām, lai uzzinātu par to gaismu izstarojošajām īpašībām. Jo īpaši viņš koncentrējās uz daļiņām, kas izstaro gaismu tuvajā infrasarkanajā spektra daļā. Šis īpašums viņam šķita nozīmīgs, jo cilvēka ķermenis ir caurspīdīgs tuvu infrasarkanajai gaismai.
Kad viņš 2006. gadā kļuva par docentu Ilinoisas Universitātē Urbana-Champaign, Strano nolēma izpētīt, vai viņš varētu ievadīt šīs nanodaļiņas organismā, kur tās varētu darboties kā sensori, saistoties ar molekulām un pārraidot informāciju caur ādu. no fluorescences. Izveidojot savu jauno laboratoriju, viņš veltīja sevi šim redzējumam. Viņš saka, ka toreiz tā bija nepieredzēta ideja, norādot, ka tika veikts maz darba, lai noskaidrotu, vai nanodaļiņas varētu efektīvi kalpot kā sensori vai pat vai tās būtu drošas. (Kāds skeptisks agrīnais recenzents salīdzināja ideju par šādu nanosensoru izstrādi ar kārbu attaisāmā ievietošanu cilvēka ķermenī.) Strano pieeja bija ņemt oglekļa nanodaļiņas un pārklāt tās ar polimēru, kas varētu saistīties ar glikozi un reaģēt uz dažādām cukura koncentrācijām. Kad ārēja ierīce, ko nēsāja pacients, izspīdēja gaismu caur ādu, tas izraisīja nanodaļiņu fluorescēšanu ar parakstiem, kas mainījās atkarībā no šīs glikozes koncentrācijas. (Viņš arī veica eksperimentus ar dzīvniekiem, lai pierādītu, ka nanodaļiņas šķiet drošas.) Sākumā Strano koncentrējās uz glikozi, jo uzskatīja, ka implantējami sensori palīdzēs cilvēkiem ar cukura diabētu, piemēram, viņa sievas brāļadēlam. Viņa īstermiņa mērķis bija novērst vajadzību viņiem bieži pielīmēt sevi, lai izmērītu cukura līmeni asinīs. Bet galvenais mērķis ir izstrādāt mākslīgu aizkuņģa dziedzeri, kas varētu izmērīt cukura līmeni asinīs un piegādāt insulīnu reāllaikā.
2007. gadā Strano tika pieņemts darbā MIT, kur viņš ieguva pilnvaras tikai divu gadu laikā. Viņš turpināja darbu pie nanosensoriem un 2009. gadā parādīja, ka oglekļa nanocaurules, kas ievadītas zem ādas kā sava veida tetovējums, var izmantot glikozes līmeņa noteikšanai asinīs. Laika gaitā viņš izstrādāja arī virkni citu sensoru. Tehnoloģija atklāja tādas molekulas kā fibrinogēns, kas ir svarīgs asins recēšanai, un slāpekļa oksīds, kas kalpo kā galvenā signalizācijas molekula sirds un asinsvadu sistēmā un citur. Viņš arī strādāja, lai palielinātu savu sensoru jutīgumu. Rakstā šogad Dabas nanotehnoloģijas , viņš atklāja sensorus, kas varētu identificēt atsevišķas proteīna molekulas.
TERMĒJSpēks
Sava laika sākumā MIT Strano arī atklāja jaunu enerģijas ražošanas mehānismu — pilnīgi nejauši. 2008. gadā viņš bija sācis strādāt pie projekta, ko finansēja ASV gaisa spēki, lai izstrādātu jaunus izpildmehānismus, kas ātri reaģētu uz ķīmisku sprūdu. Darba ietvaros viņš novietoja sprādzienbīstamo TNT ap oglekļa nanocauruļu virsmu, lai novērotu ātrumu, kādā tas šajā vidē aizdegās. Tomēr, veicot mērījumus, viņš pamanīja, ka reakcija radīja arī lielu un negaidītu elektrisko impulsu. Citiem vārdiem sakot, TNT reakcija uz oglekļa nanocaurules virsmu, šķiet, pārvērš siltumu no reakcijas elektrībā, radot daudz lielākus jaudas uzliesmojumus, nekā tolaik prognozēja zinātniskā teorija.
Strano bija pirmais, kurš novēroja šo fenomenu, ko viņš nodēvēja par termoelektrostacijas vilni. Tā bija jauna un aizraujoša ideja pārveidot gaistošu ķīmisko reakciju ļoti jaudīgā elektrības impulsā, saka Kurošs Kalantars-Zadehs, Austrālijas RMIT universitātes progresīvās elektronikas un sensoru centra direktors. Papildus teorētiskajai interesei, ko tas radīja ķīmiķiem, atklājums ir pavēris durvis jauniem enerģijas avotiem. Dažos gadījumos pētnieki vai patērētāji var vēlēties avotus, kas spēj nodrošināt lielu enerģijas daudzumu īsā laika periodā. Termoenerģijas viļņi to padarītu iespējamu, un teorētiski tie varētu palikt neizmantoti nenoteiktu laiku, nezaudējot enerģiju. Tā kā to uzglabāšanas pamatā ir ķīmiskās saites, strāvas avoti, kas izmanto šo mehānismu, būtu vairāk kā degviela gāzes tvertnē, nevis, piemēram, litija jonu mobilā tālruņa akumulators, kas lēnām izlādējas un nomirst, saka Strano. Nesen viņš arī pierādīja, ka termoenerģijas viļņus var radīt, neizmantojot sprāgstvielas vai augstas temperatūras. Konkrēti, viņš ir uzlicis acetonitrilu uz nanocaurulītēm un ļāvis tam iztvaikot; izrādās, ka ar ķīmiskajām izmaiņām pietiek, lai radītu elektrisko strāvu. Strano un citi visā pasaulē ir sākuši eksperimentēt ar vienkāršām ierīcēm, kas varētu izmantot termoenerģijas viļņus, taču viņš saka, ka lietojumprogrammas joprojām ir agrīnā stadijā.
Strano laboratorija ir ievadījusi nanodaļiņas spinātu un rukolas stādos, radot augus, kas jūt ķīmiskas vielas vai izstaro gaismu.
BIONISKIE AUGI
Strano savu brīnišķīgo iztēli pirmo reizi pievērsa augu bioloģijai 2009. gadā. Viņš saka, ka sākotnēji viņš domāja, ka augu ievērojamā spēja atjaunot galvenos proteīnus varētu iedvesmot risinājumus saules enerģijas problēmai: saules gaismas iedarbība pakāpeniski degradē daudzus materiālus, ko izmanto saules uztveršanai. enerģiju. 2010. gadā Strano komanda izstrādāja sintētisko molekulu komplektu, kas, turot šķīdumā, var spontāni savākties fotoelektriskā struktūrā; šūna sadalās, kad šķīdumam tiek pievienota virsmaktīvā viela, bet pēc virsmaktīvās vielas filtrēšanas tā ātri savācas. Neilgi pēc tam viņš sāka pievērsties citām augu fizioloģiskajām spējām: piemēram, tie paši ražo enerģiju, sūknē ūdeni un patērē vairāk oglekļa dioksīda, nekā saražo. Manā jomā inženieri nav apmācīti aplūkot augus kā tehnoloģiju sākumpunktu, saka Strano. Bet viņš sāka tos uzskatīt par mikrofluidiskiem tīkliem, kuriem ir mehānisms šķidrumu iekšējai transportēšanai, savukārt to hloroplastus, struktūras, kurās notiek fotosintēze, var pielīdzināt ķīmiskajām baterijām. Viņš saka, ka jūs varat izveidot vienkāršotu skatījumu uz augiem, kas ir ļoti pievilcīgi tādiem inženieriem kā es.
2011. gadā Strano pieņēma darbā biologu Huanu Pablo Giraldo kā pēcdoktorantūras stipendiātu. Giraldo, kurš tagad ir docents Kalifornijas Universitātē Riversaidā, saka, ka jutās enerģisks, lai palīdzētu apvienot nanomateriālu un dzīvās organiskās pasaules. 2014. gada dokumentā Dabas materiāli , komanda parādīja, ka augi uzņems oglekļa nanodaļiņas caur porām to lapu apakšpusē, ko sauc par stomatām, un ka šīs daļiņas pēc tam nonāks augu hloroplastos. Pēc šī atklājuma pētnieki ieviesa nanodaļiņas, kas ļāva lapām absorbēt gaismas viļņu garumus, ko augi parasti neizmanto, efektīvi paplašinot to fotosintēzes diapazonu. Pētnieki arī piegādāja daļiņas, kas kalpo kā antioksidanti un tādējādi aizsargā hloroplastus no bojājumiem, ko izraisa intensīva saules gaismas iedarbība. Rezultātā viņi spēja palielināt augu fotosintēzes potenciālu par 30 procentiem. Šo atklājumu teorētiski varētu izmantot, lai palīdzētu augiem labāk augt augsta blīvuma vidēs, kur tie saņem ierobežotu gaismu redzamajā diapazonā un varētu gūt labumu no spējas izmantot citus viļņu garumus.
Tajā pašā dokumentā Strano, Giraldo un viņu kolēģi arī parādīja, ka viņi var pārvērst augus par slāpekļa oksīda sensoriem, kas ir piesārņotājs, kas veicina skābo lietus veidošanos. Pētnieki to izdarīja, iesaiņojot nanodaļiņas polimēros, kas varētu selektīvi mijiedarboties ar slāpekļa oksīdu, un pēc tam ievadot šīs daļiņas augos. Kad bija slāpekļa oksīds, tas mainīja veidu, kā pamatā esošās nanodaļiņas izstaro gaismu. 2016. gadā Strano grupa spinātu lapas pārvērta par sensoriem nitroaromātiskajiem savienojumiem, sprāgstvielu veidam, lapās iekļaujot oglekļa nanocaurules, kas pārklātas ar selektīviem polimēriem. Teorētiski, ja gruntsūdeņos būtu nitroaromātiskie līdzekļi, augi varētu tos atklāt un nosūtīt paziņojumu uz tuvumā esošu ierīci, piemēram, infrasarkano kameru, kas savienota ar mazu datoru, vai pat mobilo tālruni bez infrasarkanā filtra. (Šīs sistēmas praktiskā nozīme nav pilnībā skaidra, taču tā piedāvā pieeju sauszemes mīnu vai piesārņojošo vielu noteikšanai gruntsūdeņos.)
Strano stāsta, ka šo augu darbu īpaši patīkami pārrunāt ar meitām, kurām ir 11, deviņi, septiņi un četri gadi. Bioniskie augi — tagad tā ir saruna ar septiņus gadus vecu bērnu, viņš saka. Strano un viņa ģimene dzīvo Leksingtonā, Masačūsetsā, kur ir lieliskas valsts skolas; taču, tā kā viņa vecākā meita bija pietiekami veca pirmsskolas vecumam, viņš un viņa sieva Sallija, bijusī matemātiķe, ir izvēlējušies bērnus mācīt mājās. Viņi pieder mājmācības kooperatīvam, kas tiekas reizi nedēļā un nodrošina zināmu struktūru, taču liela daļa viņu pieejas ir brīva (izņemot matemātiku, kas, pēc Strano teiktā, prasa ikdienas vingrinājumus). Meitenes pavada ilgas stundas bibliotēkā, lasot patstāvīgi. Divi no viņiem nesen pavadīja savu tēvu ceļojumā uz Japānu, kur viņi uzzināja par japāņu kultūru un dažus valodas vārdus.
Protams, Strano ir īpaši priecīgs mācīt bērniem zinātni. Es savu mandātu uztveru nopietni, viņš saka. Man ir četras meitenes, un es nevaru garantēt, ka viņas visas iesaistīsies STEM, taču tas virzās uz to. Viņš un viņa sieva mudina bērnus izstrādāt eksperimentus un veikt jebkādas viņu interesējošās izpētes jomas. 11 gadus vecais puisis, kuram patīk ķemmēšana un amatniecība, veica projektu par to, kā uz kukurūzas cietes bāzes izgatavotas gļotas slīd lejup pa slīpu plakni. Deviņgadīgais, kurš mīl putnus, ar time-lapse kameru pētīja, kuras sugas kopā barojas putnu barotavā. Meitenes arī regulāri apmeklē Strano laboratoriju, kur viņām ir tiešs priekšstats par sava tēva projektiem.
Starp rotaļīgākajām nodarbēm, kas tiek veiktas laboratorijā, ir elektroniskās ierīces, kas izgatavotas no augiem. Strano un viņa skolēni īpašu uzmanību pievērš tālvadības pultīm, kas parasti sazinās, izmantojot infrasarkano enerģiju. Modificējot augus ar nanodaļiņām, lai tie atbrīvotu infrasarkano enerģiju, piemēram, reaģējot uz patērētāja vēlmi ieslēgt televizoru, pētnieki varētu ļaut augiem veikt tādas pašas funkcijas kā šiem sīkrīkiem. Mēs domājam, ka varam nomainīt dažas ierīces, kas pašlaik ir apzīmogotas no plastmasas, saka Strano, piebilstot, ka mērķis ir izveidot videi draudzīgāku elektronikas klasi. Tomēr izaicinājums tālvadības pulšu atdarināšanai ir tas, ka to signalizācija notiek ļoti ātri, apmēram milisekundēs, un augiem nepatīk tik ātri pārvietoties. (Tāpat jābrīnās par augu elektronikas likteni, kam nepieciešams ūdens, kad to saimnieki dodas atvaļinājumā. Ierīcēm būtu jālaista pašām, saka Strano.)
Maiks Lī, kurš ir otrā kursa maģistrants, ir atbildīgs par liela zelta zivtiņu akvārija turēšanu laboratorijas pagrabā un uz nanodaļiņām balstītu sensoru izstrādi, ko tajos var ievadīt, lai uztvertu stresa hormona jeb kortizola koncentrāciju. Projekts ir sadarbība ar Saūda Arābijas Karaļa Abdullah Zinātnes un tehnoloģijas universitātes zinātniekiem, kuri plāno ielaist zivis Sarkanajā jūrā, analizējot to kortizola līmeni, reaģējot uz vides apstākļiem.
Pavisam nesen Strano veica pārsteidzošu atklājumu par paša ūdens uzvedību oglekļa nanocauruļu robežās. gadā publicētajā rakstā Dabas nanotehnoloģijas novembrī viņš parādīja, ka ļoti specifiska diametra nanocaurules iekšpusē vismaz 105 °C temperatūrā ūdens veidoja cietu vielu, līdzīgi kā ledus. Kad šķidrums atrodas ierobežotā vidē, tā fāzes uzvedība kļūst izkropļota, taču tas ir ārkārtējs gadījums, viņš saka. Pētnieki varētu izveidot sīkus vadus, kas izgatavoti no cieta ūdens, kas būtu stabili istabas temperatūrā un vadītu protonus ar augstu efektivitāti, kā zināms, ka to dara ūdens. Tas, piemēram, varētu būt noderīgi, lai izstrādātu labākas ūdeņraža degvielas šūnas. Strano saka, ka ir sajūsmā par ledus nanovadu īpašību izpēti, taču viņš piebilst, ka žūrija spriež, vai tie būs noderīgi.