TR 100 Nanotech

Nanotehnoloģijas – zinātne par struktūru veidošanu un manipulācijām ar tām molekulārā līmenī – sola jaunas perspektīvas un negaidītus risinājumus daudzām pusvadītāju, optikas, sensoru un biotehnoloģiju problēmām. Daudzi no šī gada TR100 apbalvotajiem, kas ir apņēmības pilni panākt jaunus sasniegumus, pievēršas nanotehnoloģijām, lai iegūtu vēl nebijušu precizitātes, kontroles un elastības līmeni jaunu materiālu un ierīču radīšanā. Šīs elites grupas izgudrotie nanomateriāli sola visu, sākot no ātrākas un mazākas elektronikas līdz efektīvākām un mērķtiecīgākām terapijām. Kad jūs nonākat pie nano garuma svariem, jūs varat iegūt unikālas īpašības, saka Yi Cui no Kalifornijas Universitātes Bērklijā. TR100 Nanotech+ kategorija ietver plašu inovāciju un pētījumu klāstu materiālu zinātnē un enerģētikā. Taču daudzi šī gada TR100 ir īpaši mazi, jo tie sniedz vislielāko ieguldījumu.

Liela daļa darbību notiek biomedicīnā. Tas ir tāpēc, ka nanomateriāli ir tieši piemēroti, lai mijiedarbotos ar svarīgiem bioloģiskiem dalībniekiem, piemēram, olbaltumvielām, DNS molekulām un vīrusiem. Nanotehnoloģiju izmantošana biomedicīnas problēmām ir dabiski piemērota, saka Darels Ērvins , biomedicīnas inženierijas profesors MIT.

Irvine palīdz veidot labākas vakcīnas pret tādām slimībām kā malārija un vēzis, izstrādājot sintētiskā polimēra nanodaļiņas. Nanodaļiņas, kas satur specifiskas stimulējošas molekulas un antigēnus, uztver imūnās šūnas, izraisot imūnreakciju. To mazā izmēra dēļ nanodaļiņas var piegādāt molekulas ar augstu precizitātes līmeni specifiskiem receptoriem šūnās. Tas nozīmē labāku iegūtās imūnās atbildes stipruma un veida kontroli, kam vajadzētu radīt efektīvākas vakcīnas. Irvine nesen ir sācis strādāt ar medicīnas pētniekiem Hārvardas Universitātē, lai izpētītu materiālus, ko varētu izmantot HIV vakcīnas piegādei.

Albena Ivaniseviča , Purdjū universitātes ķīmijas profesors, izmanto paņēmienu, ko sauc par iegremdējamo pildspalvu nanolitogrāfiju, lai palīdzētu atrisināt galveno problēmu audu inženieriem, kuri vēlas salabot bojātās ķermeņa daļas: kontrolēt precīzu šūnu augšanu noteiktās vietās. Ivanisevičs pārklāj mikroskopiskos galus ar šūnu barojošām peptīdu molekulām; galiņi pēc tam nogulsnē peptīdus uz virsmas. Spēja sakārtot šīs peptīdu molekulas ar nanomēroga precizitāti dod Ivanisevičam lielāku kontroli pār to, kā un kur šūnas augs uz virsmas, galu galā veidojot jaunus audus ķermenim.

Nanotehnoloģijas paver arī jaunas iespējas tiem, kas strādā, lai efektīvāk izmantotu vai manipulētu ar gaismu. Ikvienam, kam kādreiz ir nācies nomainīt spuldzi, varētu būt aizdomas, parastā kvēlspuldžu apgaismojuma pamatā ir 150 gadus veca tehnoloģija, un pētnieki nepacietīgi meklē jaunus veidus, kā pagarināt gaismu izstarojošo materiālu kalpošanas laiku un palielināt efektivitāti. Viena no nozares pētnieku iecienītākajām rotaļlietām ir kvantu punkti – pusvadītāju materiāla nanodaļiņas, kas atkarībā no izmēra izdala dažādas krāsas gaismu. Un Vladimirs Bulovičs MIT elektrotehnikas profesors izmanto šos izturīgos, spilgtās krāsas nanopunktus, lai no jauna izgudrotu spuldzi. No kvantu punktiem Bulovičs ir izveidojis jaunas gaismas diodes, kuras var iestrādāt elastīgos materiālos, piemēram, plastmasā, un kurām vajadzētu darboties daudz ilgāk nekā parastajām spuldzēm. Kamēr citi, tostarp pats Bulovičs, jau ir izstrādājuši organiskās gaismas diodes, Bulovičs saka, ka kvantu punkti var pagarināt to efektīvo kalpošanas laiku, padarot tos plašāk lietojamus. Viņš cer tuvāko viena līdz divu gadu laikā ražot ļoti efektīvu un ilgmūžīgu gaismu izstarojošu elastīgu materiālu.

Marsels Bručess , vadošais produktu izstrādes zinātnieks Quantum Dot of Hayward, CA, arī izmanto kvēlojošās nanodaļiņas, bet bioloģiskai attēlveidošanai un diagnostikas izstrādei. Kvantu punkti izstaro gaismu daudz ilgāk nekā parastās krāsvielas, ko izmanto, lai izsekotu aktivitātei dzīvās šūnās, un to dažādās krāsas nozīmē, ka pētnieki var vienlaikus attēlot vairākus notikumus un iegūt plašāku ieskatu šūnu iekšējā darbībā. Bručesam ieguvums no darba ar nanomateriāliem ir tāds, ka tie paver pilnīgi jaunus veidus, kā domāt par problēmām. Tas sniedz jums lielāku elastību, manipulējot ar materiāliem un novietojot tos, kur vēlaties, saka Bručess.

Elektronikas pētnieki, kuri meklē arvien mazākas un ātrākas shēmas, arī gūst panākumus ar nanotehnoloģiju palīdzību. Silīcija rūpniecība jau ir nano režīmā, norāda Kinnerets Kerens, Stenfordas universitātes pētnieks. Tagad viņi vairāk cenšas panākt molekulāro režīmu. Tas nozīmē izmantot tādas molekulas kā oglekļa nanocaurules, lai izveidotu nākamās paaudzes elektriskās ķēdes. Kamēr citi pētnieki jau ir izgatavojuši tranzistorus no atsevišķām pusvadītāju nanocaurulēm, Kerens nolēma pievērsties šādu tranzistoru montāžas procesam. Viņas triks bija pievienot papildu DNS gabalus nanocaurulei un silīcija plāksnei; tā kā divi DNS gabali dabiski saistījās viens ar otru, viņi veica nanocaurules un vafeles savienošanas darbu, lai izveidotu tranzistoru. Lai gan Kerena process joprojām ir laboratorijas sasniegums, tas galu galā varētu piedāvāt jaunu metodi, kā efektīvi ražot sīkas shēmas, kurās katrs tranzistors ir viena molekula.

Kamēr pētnieki, piemēram, Kerens, pieņem darbā biomolekulas, lai palīdzētu izgatavot elektroniku, Majank Bulsara pieturas pie tradicionālā silīcija, bet manipulē ar to jaunos veidos. Bulsara, AmberWave Systems of Salem, NH, līdzdibinātājs un galvenais tehnoloģiju speciālists, izstrādā jaunu silīcija veidu, kas sola padarīt datoru mikroshēmas par 20 procentiem ātrākas, vienlaikus samazinot enerģijas patēriņu par 30 līdz 40 procentiem. Galvenais ir izstiept silīcija kristālu, atdalot tā atomus tikai par dažām nanometra tūkstošdaļām — kā gumijas joslu, saka Bulsara. Šī stiepšanās maina materiāla īpašības tā, ka elektroniem, kas skraida caur to, ir mazāka iespēja sadurties ar silīcija atomiem, izkliedēties un palēnināt. Bulsara cer, ka mikroshēmas, kas satur izstiepto silīciju, lielākos daudzumos nonāks tirgū līdz nākamā gada beigām.

Šī gada TR100 tikai sāk demonstrēt nanotehnoloģiju iebrukuma rezultātus aizraujošās jaunās teritorijās, taču viņu darba pārņemšana reālajā pasaulē rada savas problēmas. Lielākais izaicinājums ir izdomāt nanomateriālu ražošanas veidus pietiekami lielās platībās, saka Bulovičs. Taču, kad šis izaicinājums beidzot būs izpildīts, nebrīnieties, ja uzlecošās zvaigznes, par kurām lasīsit nākamajās lappusēs, bija starp tām, kas palīdzēja noteikt ceļu.

TR100 jaunumi pakalpojumā Nanotech+
Inovators	Uzņēmums dibināts/dibināts	Tehnoloģija/pavērsiena punkti
Marsels Bručess	Quantum Dot (Heivarda, Kalifornija)	No pusvadītāju materiāla izgatavoti fluorescējoši nanokristāli bioloģiskai marķēšanai un diagnostikai; vairāk nekā 1000 klientu
Majank Bulsara	AmberWave Systems (Seilema, NH)	Sasprindzināts silīcijs ātrākām, mazāk enerģijas patērējošām ierīcēm, kuru pamatā ir pusvadītāji; produkti, kas satur šo tehnoloģiju, varētu būt plaši pieejami līdz 2005. gada beigām
Lerojs Ohlsens	Neah Power Systems (Bothell, WA)	Kurināmā elementi uz silīcija bāzes klēpjdatoriem un citām pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm; pirmais produkts varētu būt tirgū 2006. gadā

Nanotech profili

Marsels Bručess
Vecums: 31 | Līdzdibinātājs un galvenā personāla zinātnieks | Kvantu punkts
Pirms sešiem gadiem Marsels Bručess, toreizējais Kalifornijas universitātes Bērklijas universitātes maģistrants, parādīja, ka kvantu punktus — tikai nanometrus platas kvēlojošas daļiņas — var izmantot, lai marķētu olbaltumvielas šūnās. Dažu mēnešu laikā Bručess bija līdzdibinājis Quantum Dot, lai tirgotu jauno attēlveidošanas rīku biologiem un zāļu izstrādātājiem, kuri meklē detalizētāku priekšstatu par molekulārajiem notikumiem. Tas ir viens no pirmajiem nanotehnoloģiju komerciālajiem lietojumiem, saka Bručess.

Yi Cui
Vecums: 28 | Zinātniskais līdzstrādnieks | Kalifornijas Universitāte, Bērklija
Lai gan daži nanotehnoloģiju pētnieki veido jaunu materiālu pamatelementus, citiem, piemēram, Yi Cui, ir vienlīdz svarīga loma šo bloku savienošanā un turpmākajos soļos praktiskā pielietojuma virzienā. Cui spēja precīzi kontrolēt nano bloku montāžu ir radījusi jaunas ierīces, kas var nonākt vēža skrīninga mikroshēmās, kvantu datoros un saules baterijās.

Būdams Hārvardas universitātes ķīmijas doktorants, Cui veica novatorisku darbu pie nanovadiem, izmantojot lāzeru un ķīmisko tvaiku kombināciju, lai saspiestu silīciju, veidojot sīkus vadus, kas ne tikai vada elektronus, bet arī varēja izslēgt un ieslēgt strāvu kā tranzistors. Cui pat izgatavoja nanovadus, kuru pārslēgšana bija atkarīga no specifisku proteīnu klātbūtnes, tāpēc tie varētu kalpot kā īpaši jutīgi biosensori agrīnu prostatas vēža pazīmju testos.

Bērklijā Cui ir turpinājis apgūt mākslu veidot funkcionālas ierīces nanomērogā. Pavisam nesen viņš ir atradis veidus, kā precīzi savienot kopā jaunus nano bloku veidus, ko sauc par nanotetrapodiem — dažus nanometrus platus materiāla punktus, katrs ar četriem nanostieņiem, kas izstaro dažādos virzienos. Lai gan citi pētnieki iepriekš ir izgatavojuši nanotetrapodus, Cui var savienot daudzus no tiem, lai izveidotu shēmu tīklu un precīzi kontrolētu to elektriskās īpašības. Cui saka, ka mēs varam panākt, lai nanotetrapodi paši saliktos jebkurā mums vajadzīgajā modelī, tostarp tranzistoru blokos. Mazā izmēra dēļ šīs shēmas teorētiski varētu būt vairākas reizes ātrākas nekā mūsdienu datoru mikroshēmās esošās shēmas.

Sakārtojot nanotetrapodus sazarotos tīklos, Cui ir pārveidojis tos no neapstrādātas sastāvdaļas par kaut ko tādu, ko varētu iebūvēt reālās ierīcēs, piemēram, saules baterijās. Un tā kā nanotetrapodi ir pietiekami mazi, lai reģistrētu atsevišķu elektronu klātbūtni, tie pat varētu izmantot subatomisko daļiņu dīvainās kvantu īpašības, veidojot pamatu jauna veida datoriem, kas darbosies tūkstošiem reižu ātrāk nekā mūsdienu ātrākās iekārtas. Lai gan šis pielietojums ir daudzu gadu attālumā, Cui jau ir pierādījis iespēju veidot jaunas struktūras, izmantojot nanotehnoloģiju pamatsastāvdaļas.

Lerojs Ohlsens
Vecums: 30 | Dibinātājs un galvenais tehnoloģiju speciālists | Neah enerģijas sistēmas
Kurināmā elementi, kas darbojas ar metanolu, var darbināt mobilos tālruņus un klēpjdatorus, taču tie ir dārgi un ne pārāk jaudīgi. Lerojs Ohlsens, Neah Power Systems no Botelas, Vašingtonas dibinātājs, nomainīja šūnu plastmasas membrānas, kas atdala elektronus no metanola, lai ražotu elektroenerģiju, ar porainu silīciju. Ohlsens saka, ka silīcijs ne tikai dod mums vairāk enerģijas, bet arī var samazināt ražošanas izmaksas. Sagaidiet, ka uzņēmuma pirmās kurināmā šūnas 2006. gadā.

Mollija Stīvensa
Vecums: 30 | Lektors | Londonas Imperiālā koledža
Materiālu zinātniece Mollija Stīvensa uzskata, ka, sajūtot izmaiņas vidē, nekas nepārspēj bioloģiskās sistēmas. Tāpēc viņa pievēršas bioloģiskām molekulām, lai radītu viedus nanomateriālus, kas varētu radīt jaunas, implantējamas sensoru un zāļu piegādes ierīces.

Šādas ierīces ātri atklātu fizioloģiskas izmaiņas organismā, piemēram, holesterīna līmeņa paaugstināšanos, un reaģētu, izlaižot atbilstošu uzglabāto zāļu devu. Tāda ir vīzija, vismaz. Taču, lai to saprastu, būs nepieciešami jauni materiāli, kas dažādos ķīmiskos apstākļos uzvedas atšķirīgi.

Stīvensa nesen pierādīja, ka viņa var kontrolēt zelta nanodaļiņu uzvedību, mainot pH līmeni šķīdumam, kurā tās ir suspendētas. Viņa pievienoja daļiņas īpaši izstrādātām peptīdu molekulām, kas pareizajos pH apstākļos mijiedarbojas viena ar otru, lai daļiņas apvienotu organizētā struktūrā. PH izmaiņas maina peptīdu formu tā, ka tie atgrūž viens otru un daļiņas izkliedējas. Mēs izmantojam labāko no dabas radošuma un izmantojam to sev, saka Stīvenss.

Eksperiments parāda, ka ir iespējams radīt materiālus, kas automātiski pārveido sevi, reaģējot uz ķīmiskajām izmaiņām organismā. Šāds materiāls varētu radīt implantējamas zāļu ievadīšanas ierīces, kas darbojas kā savi bioloģiskie sensori.

Stīvensa nākamajam sava darba posmam izmanto peptīdu daudzpusību. Tagad viņa izstrādā peptīdus, lai tie mainītu formu smalkāk un daudzveidīgāk. Zāļu ievadīšanas ierīce, kas izgatavota, izmantojot šādus peptīdus, būtu jutīgāka pret fizioloģiskām izmaiņām un varētu piedāvāt lielāku kontroli pār daudzām dažādām zāļu devām. Ja viņas jaunais projekts izdosies, Stīvensai būs bijusi nozīmīga loma, padarot ne tikai nanomateriālus, bet arī zāļu piegādi daudz gudrāku.

Vladimirs Bulovičs
Vecums: 34
Asociētais profesors, MIT
Izmanto organiskos un nanostrukturētos pusvadītājus tādās ierīcēs kā gaismas diodes, lāzeri, fotodetektori un ķīmiskie sensori. Startup uzņēmumi ir licencējuši daudzus no viņa 30 ASV patentiem.

Majank Bulsara
Vecums: 32
AmberWave Systems līdzdibinātājs un galvenais tehnoloģiju speciālists
Līdzdibināja Salem, uz NH balstītu AmberWave, lai izstrādātu sasprindzinātu silīciju — progresīvu silīcija veidu, kas ļauj datora mikroshēmām darboties ātrāk un patērē mazāk enerģijas.

Dastins Karrs
Vecums: 34
Sandia National Laboratories galvenais tehniskā personāla loceklis
Izveido nanomēroga silīcija ierīces, kas var noteikt subatomiskas mēroga kustības. Nanodetektorus varētu izmantot, piemēram, īpaši precīzos akselerometros lidmašīnu navigācijai.

Mārtiņš Kalpepers
Vecums: 32
Docents, MIT
Izgatavo iekārtas, kas nepieciešamas, lai augstas kvalitātes un zemu izmaksu nanoražošana kļūtu par realitāti. Viņa nanomanipulatori ir elastīgāki un piedāvā augstāku veiktspēju nekā esošās versijas — par vienu divdesmito cenu.

Delmau prieks
Vecums: 33
Oak Ridge Nacionālās laboratorijas pētnieks
Palīdzēja atrisināt pamatproblēmas kodolatkritumu apstrādē, kā rezultātā tika izveidots ekonomisks process vairāk nekā 100 000 kubikmetru radioaktīvo atkritumu attīrīšanai Savannas upes vietā Dienvidkarolīnā, kas pārvalda ASV kodolieroču krājumus.

Marta Gārdnere
Vecums: 33
Statistiķis, General Electric
Izveidoti statistikas modeļi un projektēšanas programmatūra, lai padarītu materiālu izstrādi efektīvāku. Izmantojot viņas metodes, inženieri ir samazinājuši produktu izstrādes laiku par 90 procentiem.

Verēna Grafa
Vecums: 32
DaimlerChrysler inženieris
Izstrādā degvielas elementus, kas ir praktiski lietojami automašīnu darbināšanai: tie ir izturīgi, ātri iedarbojas un tiem ir lielisks jaudas blīvums neatkarīgi no laikapstākļiem.

Ju Han
Vecums: 27
Pēcdoktorants, Bioinženierijas un nanotehnoloģiju institūts (Singapūra)
Sintezētas nanomēroga daļiņas ar sīkām, precīzi definētām porām. Viņa materiālus var izmantot kontrolētai zāļu piegādei vai gēnu terapijai.

Stefans Hehts
Vecums: 30
Berlīnes Brīvās universitātes docents
Izstrādāja jaunu polimēru nanocauruļu un citu molekulāro celtniecības bloku klasi. Šiem jaunajiem materiāliem ir potenciāls pielietojums nanoizmēra elektronisko ierīču ražošanā.

Darels Ērvins
Vecums: 31
Docents, MIT
Izgatavo nanodaļiņas, kas organismā izdala ķīmiskas vielas, lai ieprogrammētu imūnās šūnas, lai cīnītos ar vīrusu infekcijām, piemēram, HIV, panes transplantātus vai pat iznīcinātu ļaundabīgos audzējus.

Rustems Ismagilovs
Vecums: 31
Čikāgas universitātes docents
Izstrādā mikrofluidikas tehnoloģijas, kas izmanto sīkus pilienus, lai raksturotu proteīnu funkcijas un struktūru un modelētu sarežģītus bioķīmiskos procesus. Mikrofluidiskajiem modeļiem jāsniedz ieskats, kas attiecas uz zāļu atklāšanu un medicīnisko ierīču dizainu.

Albena Ivaniseviča
Vecums: 29
Docents, Purdue Universitāte
Izmanto mikroskopiskus uzgaļus, lai nogulsnētu precīzus peptīdu modeļus tieši uz ķermeņa audiem. Viņas tehnika, ko viņa pārbauda cūku acīs, varētu palīdzēt ārstēt vai pat izārstēt aklumu.

Ravi Keins
Vecums: 32
Docents, Renselera Politehniskais institūts
Izveidoja ļoti spēcīgu Sibīrijas mēra ārstēšanu, kurā katra zāļu molekula bloķē vairākas toksīna molekulas, nevis tikai vienu. Viņš paplašina koncepciju pret HIV terapiju.

Kinnerets Kerens
Vecums: 32
Pēcdoktorants Stenfordas Universitātes Medicīnas skolā
Molekulārās elektronikas izveidei izmanto uz bioloģiju balstītu pašsavienojumu. Viņa izveidoja pašmontētu molekulāri elektronisku ierīci – oglekļa nanocaurules tranzistoru – izmantojot DNS veidni.

Džeimijs Links
Vecums: 26
Doktorants, Kalifornijas Universitāte, Sandjego
Iegravēti optiskie svītrkodi mikrometra izmēra silīcija gabaliņos. Viņa cer izmantot šo tehnoloģiju, lai atklātu piesārņotājus ūdenī vai vēža šūnās organismā.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Vecums: 30
Docents, Teksasas Universitāte Ostinā
Izgudrota nanopārneses drukāšana, videi nekaitīga tehnika nanomēroga iezīmju modelēšanai uz organiskās elektronikas un plastmasas shēmām. Šo nano modeļu shēmu varētu izmantot, lai izgatavotu liela laukuma elastīgus displejus un lētas saules baterijas, un tā varētu nodrošināt jaunas medicīniskās terapijas un diagnostiku.

Tailers Makkvads
Vecums: 33
Kornela universitātes docents
Izveido katalizatorus, lai samazinātu zāļu sintezēšanai nepieciešamo darbību skaitu, samazinot videi kaitīgos blakusproduktus. Viņš cer, ka viena sistēma no četriem posmiem veiks tikai vienu no visvairāk pārdotā antidepresanta Prozac ražošanu.

Terijs Odoms
Vecums: 30
Docents,
Ziemeļrietumu universitāte
Rakstains silīcijs, lai izveidotu nelielas vārglāzes, kurās ir tikai zeptolitri (silīcija nanoiedobumu diametrs ir tikai 50 nanometri), kas ir ideāli piemērots atsevišķu konkrēta un vienāda izmēra nanodaļiņu audzēšanai. Šāda ultraprecizitāte ļauj pielāgot daļiņas specializētiem lietojumiem, piemēram, īpaši jutīgiem ķīmiskiem sensoriem.

Ēriks Šers
Vecums: 28
Pētniecības un attīstības zinātnieks, Nanosys
Darbojas ar neorganiskiem pusvadītāju nanomateriāliem, kas palīdz Palo Alto, Kalifornijā, Nanosys izstrādāt lētas, elastīgas saules baterijas. Nanosys partneris Matsushita plāno iekļaut nano saules baterijas būvmateriālos.

Maikls Strange
Vecums: 28
Docents, Ilinoisas universitāte, Urbana-Champaign
Nonācis pie jaunas izpratnes par oglekļa nanocauruļu virsmas ķīmiju, kas ļauj kārtot oglekļa nanocaurules pēc to pusvadīšanas, metāliskām vai izolācijas īpašībām. Tādējādi tiek novērsts galvenais šķērslis, kas neļāva nanocaurulēm izmantot ierīcēs.

Viljams Teilors
Vecums: 32
Inženierzinātņu direktors ArvinMeritor
Vada centienus komercializēt plazmatronu — piesārņojuma kontroles ierīci, kas pārvērš dīzeļdegvielu par ūdeņradi, samazinot slāpekļa oksīda emisijas līdz pat 90 procentiem.

Tsuyoshi Yamamoto
Vecums: 31
Pētnieks, NEC
Demonstrēja pirmos divu kubitu loģiskos vārtus cietvielu ierīcē, kas ir ļoti svarīgs sasniegums īpaši ātra kvantu datora izveidei.

Šu Jans
Vecums: 33
Docents, Pensilvānijas universitāte
Izstrādā viedās fotoniskās ierīces zibenīgiem datoriem un sakaru tīkliem. Atrodoties Bell Labs, viņa izstrādāja šķidru mikroobjektīvu, ko var elektroniski fokusēt milisekundēs, lai virzītu gaismas signālus optiskajās šķiedrās.

Juankai Džena
Vecums: 34
Zinātnieks, Datu uzglabāšanas institūts (Singapūra)
Vienkāršota magnētiskās RAM ražošana, padarot šo ātro, nepastāvīgo datora atmiņas veidu lētāku un praktiskāku. Sīktēla izmēra magnētiskā RAM mikroshēma varētu uzglabāt 32 gigabaitus datu.

paslēpties