211service.com
Fra flaskeraketter til bionisk spinat
Michael Strano satte i gang hydrogendrevne raketter som barn. I dag utvikler laboratoriet hans nanosensorer, bioniske planter, istråder i nanoskala og en helt ny energikilde. 22. februar 2017
For et kjemisk ingeniørlaboratorium har Michael Stranos arbeidsområde et uvanlig utvalg av grøntområder: spinat, brønnkarse og ruccola. Strano har introdusert nanopartikler i plantene ved hjelp av bladene deres, for å gi dem nye muligheter. Du vil ikke spise dem, sier han og peker på de frodige salatene. Denne er designet for å lyse som en skrivebordslampe, og den prøver å snakke med mobiltelefonen din. Han har også skapt spinatplanter som er i stand til å føle eksplosiver i jord og overføre denne informasjonen til en ekstern observatør.
Strano har lenge jobbet med karbon-nanorør og vært banebrytende for bruken av dem som sensorer i planter så vel som i mennesker og dyr. Han har også brukt nanopartikler for å forbedre plantenes evner, og skapt enheter som ser ut til å grense til science fiction, som plante-som-bord-lampen. Underveis har han oppdaget hvordan nanorør kan tjene som en helt ny energikilde. Arbeidene hans spenner over termodynamikk, materialvitenskap, nanoteknologi og nå plantebiologi – et sammenløp av interesser som fortsatt er sjeldent i de øvre delene av akademia.
Vi har flere økosystemer på gang i denne laboratoriet, sier Mike Lee, en Strano-student som jobber med sensorer i fisk. Han er en så lidenskapelig fyr og det er så mye å lære.
Bakgårdskjemi
Stranos historie med kreativ risikotaking begynte tidlig. Da han vokste opp i Pennsylvania, tullet han med kjemi og elektronikk. Faren hans, som startet som elektriker for Bell Telephone i Philadelphia, flyttet senere familien ut av byen for å starte en lydelektronikkbutikk. I en alder av 10 eller 11 fant Strano ut hvordan han kunne elektrolysere saltvann ved å kjøre en strøm gjennom det for å frigjøre hydrogengass, som han lagret i glassflasker i fryseren. Da hans eldre bror, John, spurte om han faktisk hadde fanget hydrogen, viste Strano at ved å føre en oppvarmet ledning gjennom lokket for å antenne gassen, kunne han skyte en Snapple-flaske 100 fot opp i luften. Etter det var alle livredde, sier han. Men for meg var det nesten som magi. Jeg kunne ta denne klare gassen og forbløffe folk.
Da Strano var 12, døde faren hans plutselig av et hjerteinfarkt, og etterlot moren med fem barn (Strano var den nest eldste). Vi slet, sier han. Og vitenskapen var et produktivt utløp for alt dette. I 1993 ble han det første medlemmet av familien som gikk på college - Brooklyn Polytechnic, hvor han fokuserte på kjemiteknikk. Han gir skolen æren for å gi et sterkt matematisk og analytisk grunnlag. Det var et slikt sted som la vekt på undervisning og holdt elevene til strenge standarder: Hele klassen fikk kanskje ikke noe høyere enn en B, sier han.
Ingeniører har ikke blitt opplært til å se på planter som utgangspunktet for teknologi.
I 1997 begynte Strano en doktorgrad ved University of Delaware, og arbeidet med å lage porøse karbonmembraner som kunne lette kjemiske reaksjoner. Han jobbet også med et prosjekt, sponset av DuPont, hvor han designet en membran som kunne skille nitrogen og oksygen fra trykkluft. Mens praktisk talt alle doktorgradskollegene hans gikk videre til jobber i industrien, bestemte Strano seg for å satse på en karriere i akademia, og gikk videre til et postdoktorstipendium ved Rice University, i Houston.
På Rice ble Strano med i laboratoriet til Richard Smalley, en kjemiker som hadde vunnet Nobelprisen for sitt arbeid med en form for karbon kalt buckyballs. Jeg var den eneste postdoktoren i laboratoriet, husker Strano og forklarte at Smalley, notorisk krevende, på en måte hadde jaget alle de andre postdoktorene bort. Likevel klarte han å trives under Smalley, skinnende lasere på nanopartikler for å lære om deres lysemitterende egenskaper. Spesielt fokuserte han på partikler som sender ut lys i den nær-infrarøde delen av spekteret. Denne egenskapen falt ham som viktig fordi menneskekroppen er gjennomsiktig for nær-infrarødt lys.
Da han ble assisterende professor ved University of Illinois i Urbana-Champaign i 2006, bestemte Strano seg for å undersøke om han kunne introdusere disse nanopartikler i kroppen, hvor de kan fungere som sensorer, binde seg til molekyler og overføre informasjon gjennom huden forresten. av fluorescens. Da han satte opp sin nye lab, viet han seg til den visjonen. Den gang var det en off-the-wall idé, sier han, og bemerker at lite arbeid hadde blitt gjort på om nanopartikler kunne tjene effektivt som sensorer - eller til og med om de ville være trygge. (En tidlig skeptisk anmelder sammenlignet ideen om å utvikle slike nanosensorer med å sette en boksåpner i menneskekroppen.) Stranos tilnærming var å ta karbonnanopartikler og belegge dem med en polymer som kunne binde seg til glukose og reagere på forskjellige sukkerkonsentrasjoner. Når en ekstern enhet båret av pasienten skinte lys gjennom huden, førte det til at nanopartikler fluorescerte, med signaturer som varierte i henhold til disse glukosekonsentrasjonene. (Han utførte også dyreforsøk for å vise at nanopartikler virket trygge.) Strano fokuserte tidlig på glukose fordi han trodde at implanterbare sensorer ville hjelpe mennesker med diabetes, som konas nevø. Hans kortsiktige mål var å eliminere behovet for at de måtte holde seg ofte for å måle blodsukkeret. Men det endelige målet er å utvikle en kunstig bukspyttkjertel som kan måle blodsukkeret og levere insulin i sanntid.
I 2007 ble Strano rekruttert til MIT, hvor han fikk ansettelse på bare to år. Han fortsatte arbeidet med nanosensorer, og i 2009 viste han at karbon-nanorør injisert under huden som en slags tatovering kunne brukes til å måle blodsukkernivået. Over tid utviklet han en rekke andre sensorer også. Teknologien oppdaget slike molekyler som fibrinogen, som er viktig for blodpropp, og nitrogenoksid, som fungerer som et sentralt signalmolekyl i det kardiovaskulære systemet og andre steder. Han jobbet også for å øke sensorenes følsomhet. I en avis i år i Natur nanoteknologi , avduket han sensorer som kunne identifisere enkeltproteinmolekyler.
TERMOKRAFT
Tidlig i sin tid ved MIT oppdaget Strano også en ny mekanisme for energiproduksjon - helt ved et uhell. I 2008 hadde han begynt å jobbe med et prosjekt, finansiert av United States Air Force, for å utvikle nye aktuatorer som ville reagere raskt på en kjemisk utløser. Som en del av arbeidet plasserte han det eksplosive TNT rundt overflaten av karbon-nanorør for å observere hastigheten som det antente i det miljøet. Mens han foretok målingene, la han imidlertid merke til at reaksjonen også ga en stor og uventet elektrisk puls. Med andre ord, reaksjonen til TNT på overflaten av et karbon-nanorør så ut til å konvertere varme fra reaksjonen til elektrisitet, og generere kraftutbrudd mye større enn vitenskapelig teori på den tiden forutså.
Strano var den første som observerte dette fenomenet, som han kalte termokraftbølgen. Det var en ny og spennende idé for å transformere en flyktig kjemisk reaksjon til en elektrisitetspuls med veldig høy effekt, sier Kourosh Kalantar-Zadeh, direktør for Center for Advanced Electronics and Sensors ved RMIT University i Australia. I tillegg til den teoretiske interessen den hadde for kjemikere, har oppdagelsen åpnet døren for nye kraftkilder. I noen sammenhenger kan forskere eller forbrukere ønske seg kilder som kan gi store mengder strøm over korte tidsrom. Termokraftbølger ville gjøre dette mulig, og de kunne i teorien forbli ubrukte i ubestemte perioder uten å miste energi. Fordi de er avhengige av kjemiske bindinger for lagring, vil strømkilder som bruker denne mekanismen være mer som drivstoff i en bensintank enn for eksempel et litium-ion-mobiltelefonbatteri som sakte utlades og går død, sier Strano. Nylig har han også vist at termokraftbølger kan genereres uten bruk av eksplosiver eller høye temperaturer. Nærmere bestemt har han plassert acetonitril på nanorør og latt det fordampe; den kjemiske endringen, viser det seg, er nok til å generere den elektriske strømmen. Strano og andre rundt om i verden har begynt å eksperimentere med enkle enheter som kan gjøre bruk av termokraftbølger, men han sier at applikasjonene forblir i tidlige stadier.
Stranos laboratorium har tilført nanopartikler i frøplanter av spinat og ruccola, og skapt planter som føler kjemikalier eller sender ut lys.
BIONISKE PLANTER
Strano vendte først sin fantastiske fantasi til plantebiologi i 2009. Opprinnelig, sier han, trodde han at planters bemerkelsesverdige evne til å regenerere nøkkelproteiner kunne inspirere til løsninger på et problem innen solenergi: eksponering for sollys degraderer gradvis mange materialer som brukes til å fange solens energi. I 2010 utviklet Stranos team et sett med syntetiske molekyler som, holdt i en løsning, spontant kan sette seg sammen til en fotovoltaisk struktur; cellen brytes ned når et overflateaktivt middel tilsettes løsningen, men setter seg raskt sammen igjen når det overflateaktive stoffet er filtrert ut. Kort tid etter begynte han å fokusere på planters andre fysiologiske evner: for eksempel produserer de sin egen kraft, pumper sitt eget vann og forbruker mer karbondioksid enn de produserer. I mitt felt har ingeniører ikke blitt opplært til å se på planter som utgangspunktet for teknologi, sier Strano. Men han begynte å tenke på dem som mikrofluidiske nettverk som har en mekanisme for å transportere væsker internt, mens deres kloroplaster, strukturene der fotosyntesen finner sted, kan sammenlignes med kjemiske batterier. Du kan sette sammen et forenklet perspektiv på planter som har stor appell til ingeniører som meg, sier han.
I 2011 ansatte Strano biolog Juan Pablo Giraldo som postdoktor. Giraldo, som nå er assisterende professor ved University of California i Riverside, sier at han følte seg energisk til å hjelpe til med å slå sammen verdener av nanomaterialer og det levende organiske. I en artikkel fra 2014 i Naturmaterialer , viste teamet at planter ville ta opp karbonnanopartikler gjennom porene på undersiden av bladene deres, kalt stomata - og at disse partiklene deretter ville komme inn i plantenes kloroplaster. Etter denne oppdagelsen introduserte forskerne nanopartikler som tillot blader å absorbere bølgelengder av lys som planter vanligvis ikke bruker, og effektivt utvidet deres fotosyntetiske område. Forskerne leverte også partikler som fungerer som antioksidanter og dermed beskytter kloroplastene mot skader forårsaket av intensiv eksponering for sollys. Som et resultat klarte de å øke det fotosyntetiske potensialet til plantene med 30 prosent. Dette funnet kan teoretisk brukes til å hjelpe planter med å vokse bedre i miljøer med høy tetthet, der de mottar begrenset lys i det synlige området og kan dra nytte av muligheten til å utnytte andre bølgelengder.
I samme artikkel viste Strano, Giraldo og deres kolleger også at de kunne gjøre planter om til sensorer for nitrogenoksid, en forurensning som bidrar til sur nedbør. Forskerne gjorde dette ved å pakke nanopartikler inn i polymerer som kunne samhandle selektivt med nitrogenoksid og deretter introdusere disse partiklene i planter. Når nitrogenoksid var til stede, endret det måten de underliggende nanopartikler sendte ut lys på. I 2016 gjorde Stranos gruppe spinatblader til sensorer for nitroaromatiske forbindelser, en type eksplosiv, ved å inkorporere karbon-nanorør belagt med selektive polymerer i bladene. I teorien, hvis nitroaromater var tilstede i grunnvann, kunne plantene oppdage dem - og sende en melding til en enhet i nærheten, for eksempel et infrarødt kamera koblet til en liten datamaskin, eller til og med en mobiltelefon uten infrarødt filter. (Den praktiske relevansen av dette systemet er ikke helt klart, men det foreslår en tilnærming for å oppdage landminer eller forurensninger i grunnvann.)
Strano sier at dette plantearbeidet er spesielt gledelig å diskutere med døtrene hans, som er 11, ni, syv og fire år gamle. Bioniske planter - nå er det faktisk en samtale du kan ha med en syvåring, sier han. Strano og hans familie bor i Lexington, Massachusetts, som har utmerkede offentlige skoler; men siden hans eldste datter var gammel nok til førskole, har han og hans kone, Sally, en tidligere matematiker, valgt å hjemmeundervise barna i stedet. De tilhører et hjemmeundervisningssamarbeid, som møtes en gang i uken og gir litt struktur, men mye av tilnærmingen deres er frihjul (med unntak av matematikk, som Strano sier krever daglige øvelser). Jentene tilbringer lange timer på biblioteket og leser selvstendig. To av dem fulgte nylig faren på en tur til Japan, hvor de lærte om japansk kultur og noen få ord fra språket.
Selvfølgelig er Strano spesielt glade for å lære barna naturvitenskap. Jeg tar mandatet mitt på alvor, sier han. Jeg har fire jenter, og jeg kan ikke garantere at de alle vil gå inn i STEM, men det går den veien. Han og hans kone oppmuntrer barna til å designe eksperimenter og forfølge de undersøkelsesområdene som interesserer dem. 11-åringen, som liker whittling og håndverk, gjorde et prosjekt om hvordan maisstivelsesbasert slim glir nedover et skråplan. Niåringen, som elsker fugler, brukte et time-lapse-kamera for å studere hvilke arter som matet sammen ved en fuglemater. Jentene besøker også regelmessig Stranos laboratorium, hvor de har et førstehåndsbilde av farens prosjekter.
Blant de mer lekne syslene på gang i laboratoriet er elektroniske enheter laget av planter. Strano og elevene hans fokuserer spesielt på fjernkontroller, som normalt kommuniserer ved hjelp av infrarød energi. Ved å modifisere planter med nanopartikler slik at de frigjør infrarød energi på signal – som svar for eksempel på en forbrukers ønske om å slå på TVen – kan forskerne gjøre det mulig for planter å tjene samme funksjon som disse gadgetene. Vi tror vi kan erstatte noen av enhetene som i dag er stemplet ut av plast, sier Strano og legger til at målet er å skape en grønnere klasse av elektronikk. En utfordring med å etterligne fjernkontroller er imidlertid at signaleringen deres skjer veldig raskt, i størrelsesorden millisekunder, og planter liker ikke å bevege seg så raskt. (Man lurer også på skjebnen til plantebasert elektronikk, som krever vann, når deres menneskelige eiere drar på ferie. Enhetene ville måtte vanne seg selv, sier Strano.)
Mike Lee, som er andreårsstudent, er ansvarlig for å holde et stort akvarium av gullfisk i kjelleren på laboratoriet og utvikle nanopartikkelbaserte sensorer som kan injiseres i dem for å føle konsentrasjonene deres av stresshormon, eller kortisol. Prosjektet er et samarbeid med forskere ved King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabia, som planlegger å sette ut fisk i Rødehavet, analysere deres kortisolnivåer som svar på miljøforhold.
Senest gjorde Strano en overraskende oppdagelse om oppførselen til selve vannet innenfor rammen av karbon-nanorør. I en artikkel publisert i Natur nanoteknologi i november viste han at inne i et nanorør med en veldig spesifikk diameter, ved temperaturer opp til minst 105 °C, dannet vann et fast stoff, omtrent som is. Når væske er i et begrenset miljø, blir faseadferden forvrengt, men dette er et ekstremt tilfelle, sier han. Forskere kan være i stand til å lage små ledninger laget av fast vann, som ville være stabile ved romtemperatur og ville lede protoner med høy effektivitet, slik vann er kjent for å gjøre. Dette kan for eksempel være nyttig for å utvikle bedre hydrogenbrenselceller. Strano sier at han er spent på å utforske egenskapene til is-nanotråder, men han legger til at juryen er ute om de vil være til nytte.