211service.com
TR 100 Nanotech
Nanotech - de wetenschap van het bouwen en manipuleren van structuren op moleculair niveau - belooft nieuwe perspectieven op en onverwachte oplossingen voor een breed scala aan bestaande problemen in halfgeleiders, optica, detectie en biotechnologie. Veel van de TR100-honneurs van dit jaar, vastbesloten om nieuwe doorbraken te maken, wenden zich tot nanotechnologie om een ongekend niveau van precisie, controle en flexibiliteit te bereiken bij het creëren van nieuwe materialen en apparaten. De nanomaterialen die door deze elitegroep zijn uitgevonden, beloven alles, van snellere en kleinere elektronica tot effectievere en gerichte therapieën. Als je de nano-lengteschalen bereikt, kun je unieke eigenschappen krijgen, zegt Yi Cui van de University of California, Berkeley. De Nanotech+-categorie van de TR100 omvat een breed scala aan innovaties en onderzoek op het gebied van materiaalwetenschap en energie. Maar het is op de schaal van het ultrakleine dat veel van de TR100 van dit jaar hun grootste bijdrage leveren.
Een groot deel van de actie is in de biogeneeskunde. Dat komt omdat nanomaterialen precies de juiste maat hebben om te interageren met belangrijke biologische actoren, zoals eiwitten, DNA-moleculen en virussen. Nanotech toepassen op biomedische problemen is een natuurlijke fit, zegt Darrell Irvine , een professor in biomedische technologie aan het MIT.
Irvine helpt bij het bouwen van betere vaccins tegen ziekten als malaria en kanker door nanodeeltjes van een synthetisch polymeer te ontwerpen. De nanodeeltjes, die specifieke stimulerende moleculen en antigenen dragen, worden opgenomen door immuuncellen en veroorzaken een immuunrespons. Vanwege hun kleine formaat kunnen de nanodeeltjes de moleculen met een hoge mate van precisie afleveren aan specifieke receptoren in cellen. Dat betekent een betere controle van de sterkte en het type van de resulterende immuunrespons, wat zou moeten leiden tot effectievere vaccins. Irvine is onlangs begonnen samen te werken met medische onderzoekers van de Harvard University om materialen te onderzoeken die kunnen worden gebruikt om een hiv-vaccin af te geven.
Albena Ivanisevic , een professor scheikunde aan de Purdue University, gebruikt een techniek genaamd dip-pen-nanolithografie om een centraal probleem op te lossen voor weefselingenieurs die beschadigde lichaamsdelen willen repareren: het beheersen van de precieze groei van cellen op specifieke locaties. Ivanisevic bedekt microscopisch kleine punten met celvoedende peptidemoleculen; de tips deponeren vervolgens de peptiden op een oppervlak. Het vermogen om die peptidemoleculen met precisie op nanoschaal te rangschikken, geeft Ivanisevic meer controle over hoe en waar cellen op het oppervlak zullen groeien en uiteindelijk nieuw weefsel voor het lichaam zullen vormen.
Nanotech opent ook nieuwe mogelijkheden voor degenen die werken om licht effectiever te exploiteren of te manipuleren. Zoals iedereen die ooit een gloeilamp heeft moeten vervangen, zou kunnen vermoeden, is conventionele gloeilampenverlichting gebaseerd op een 150 jaar oude technologie, en onderzoekers zijn gretig op zoek naar nieuwe manieren om de levensduur te verlengen en de efficiëntie van lichtgevende materialen te verhogen. Een van de favoriete speeltjes van onderzoekers in het veld zijn quantum dots - nanodeeltjes van halfgeleidermateriaal die afhankelijk van hun grootte verschillende kleuren licht afgeven. En Vladimir Bulovic , een professor in elektrotechniek aan het MIT, gebruikt deze sterke, felgekleurde nanodots om de gloeilamp opnieuw uit te vinden. Van quantum dots heeft Bulovic nieuwe light-emitting diodes gebouwd die kunnen worden verwerkt in flexibele materialen zoals plastic en die veel langer mee moeten gaan dan gewone gloeilampen. Terwijl anderen, waaronder Bulovic zelf, al organische light-emitting diodes hebben ontwikkeld, zegt Bulovic dat kwantumdots hun effectieve levensduur kunnen verlengen, waardoor ze breder inzetbaar worden. Hij hoopt in de komende één tot twee jaar een zeer efficiënt en duurzaam lichtgevend flexibel materiaal te produceren.
Marcel Bruchez , hoofd wetenschapper productontwikkeling bij Quantum Dot of Hayward, CA, maakt ook gebruik van de gloeiende nanodeeltjes, maar dan voor biologische beeldvorming en de ontwikkeling van diagnostiek. Quantum dots zenden veel langer licht uit dan de conventionele kleurstoffen die worden gebruikt om de activiteit in levende cellen te volgen, en hun gevarieerde kleuren zorgen ervoor dat onderzoekers meerdere gebeurtenissen tegelijkertijd in beeld kunnen brengen en meer inzicht krijgen in de innerlijke werking van cellen. Voor Bruchez is het voordeel van werken met nanomaterialen dat ze geheel nieuwe manieren van denken over problemen openen. Het geeft je meer flexibiliteit bij het manipuleren van de materialen en om ze te plaatsen waar je ze wilt hebben, zegt Bruchez.
Ook elektronica-onderzoekers die steeds kleinere en snellere circuits nastreven, boeken vooruitgang met behulp van nanotech. De siliciumindustrie bevindt zich al in het nanoregime, wijst erop Kinneret Keren, een onderzoeker aan de Stanford University. Nu proberen ze meer voor het moleculaire regime. Dat betekent het gebruik van moleculen zoals koolstofnanobuisjes om elektrische circuits van de volgende generatie te bouwen. Terwijl andere onderzoekers al transistors hebben gemaakt van individuele halfgeleidende nanobuisjes, besloot Keren zich bezig te houden met het proces van het assembleren van dergelijke transistors. Haar truc was om complementaire stukjes DNA aan een nanobuisje en aan een siliciumwafel te bevestigen; omdat de twee stukjes DNA van nature aan elkaar bonden, deden ze het werk om de nanobuis en de wafer samen te brengen om een transistor te produceren. Hoewel het proces van Keren een laboratoriumprestatie blijft, zou het uiteindelijk een nieuwe methode kunnen bieden voor het efficiënt vervaardigen van kleine circuits waarin elke transistor een enkel molecuul is.
Terwijl onderzoekers zoals Keren biomoleculen rekruteren om elektronica te fabriceren, Mayank Bulsara houdt vast aan traditioneel silicium - maar manipuleert het op nieuwe manieren. Bulsara, medeoprichter en chief technology officer van AmberWave Systems uit Salem, NH, ontwikkelt een nieuwe vorm van silicium die belooft computerchips 20 procent sneller te maken en het stroomverbruik met 30 tot 40 procent te verlagen. De sleutel is om een siliciumkristal uit te rekken door de atomen slechts een paar duizendsten van een nanometer uit elkaar te trekken - als een rubberen band, zegt Bulsara. Dit uitrekken verandert de eigenschappen van het materiaal, zodat de elektronen die er doorheen racen minder snel botsen met siliciumatomen, verstrooiing en vertragen. Bulsara hoopt eind volgend jaar chips met het uitgerekte silicium in grote hoeveelheden op de markt te hebben.
De TR100 van dit jaar beginnen nog maar net de resultaten te demonstreren van nanotech's uitstapjes naar opwindende nieuwe gebieden, maar hun werk in de echte wereld brengen, levert zijn eigen problemen op. De grootste uitdaging is het bedenken van manieren om nanomaterialen te produceren over voldoende grote oppervlakten, zegt Bulovic. Maar als die uitdaging eindelijk is aangegaan, wees dan niet verbaasd als de rijzende sterren waarover u op de volgende pagina's zult lezen, tot degenen behoorden die hebben geholpen de weg te wijzen.
TR100 Start-ups in Nanotech+ | ||
innovator | Bedrijf opgericht/medeoprichter | Technologie/Mijlpalen |
Marcel Bruchez | Quantum Dot (Hayward, Californië) | Fluorescerende nanokristallen van halfgeleidermateriaal voor biologische etikettering en diagnostiek; meer dan 1.000 klanten |
Mayank Bulsara | AmberWave-systemen (Salem, NH) | Gespannen silicium voor snellere, minder energieverslindende halfgeleidergebaseerde apparaten; producten die de technologie bevatten, zouden eind 2005 op grote schaal beschikbaar kunnen zijn |
Leroy ohlsen | Neah Power Systems (Bothell, WA) | Op silicium gebaseerde brandstofcellen voor laptops en andere draagbare elektronische apparaten; eerste product zou in 2006 op de markt kunnen komen |
Nanotech-profielen
Marcel Bruchez
Leeftijd: 31 | Medeoprichter en hoofdonderzoeker | Kwantumpunt
Zes jaar geleden toonde Marcel Bruchez, toen een afgestudeerde student aan de University of California, Berkeley, aan dat kwantumstippen - gloeiende deeltjes van slechts nanometers breed - kunnen worden gebruikt om eiwitten in cellen te labelen. Binnen enkele maanden was Bruchez medeoprichter van Quantum Dot om de nieuwe beeldvormingstool op de markt te brengen voor biologen en medicijnontwikkelaars die op zoek waren naar een gedetailleerder beeld van moleculaire gebeurtenissen. Het is een van de eerste commerciële toepassingen van nanotechnologie, zegt Bruchez.
Yi Cui
Leeftijd: 28 | Onderzoeker | Universiteit van California, Berkeley
Terwijl sommige nanotech-onderzoekers de basisbouwstenen van nieuwe materialen creëren, spelen anderen, zoals Yi Cui, een even belangrijke rol bij het samenstellen van die blokken en het nemen van de volgende stappen naar praktische toepassingen. Cui's vermogen om de assemblage van nano-bouwstenen nauwkeurig te controleren, heeft geleid tot nieuwe apparaten die mogelijk terechtkomen in kankerscreeningchips, kwantumcomputers en zonnecellen.
Als promovendus scheikunde aan de Harvard University deed Cui baanbrekend werk op nanodraden, waarbij hij een combinatie van lasers en chemische dampen gebruikte om silicium te overhalen om kleine draadjes te vormen die niet alleen elektronen geleiden, maar ook een stroom aan en uit konden zetten als een transistor. Cui fabriceerde zelfs nanodraden waarvan de omschakeling afhing van de aanwezigheid van specifieke eiwitten, zodat ze konden dienen als ultragevoelige biosensoren bij tests op vroege tekenen van prostaatkanker.
Bij Berkeley is Cui de kunst van het bouwen van functionele apparaten op nanoschaal blijven beheersen. Recentelijk heeft hij manieren gevonden om nieuwe soorten nanobouwstenen, nanotetrapoden genaamd, nauwkeurig aan elkaar te koppelen - stippen van materiaal van enkele nanometers breed, elk met vier nanostaafjes die in verschillende richtingen uitstralen. Terwijl andere onderzoekers eerder nanotetrapoden hebben gemaakt, kan Cui veel van hen aan elkaar koppelen om een web van circuits te creëren en hun elektrische eigenschappen nauwkeurig te regelen. We kunnen ervoor zorgen dat de nanotrapoden zichzelf assembleren in elk patroon dat we nodig hebben, inclusief arrays van transistors, zegt Cui. Vanwege hun kleine formaat zouden deze circuits in theorie meerdere malen sneller kunnen zijn dan de circuits in de huidige computerchips.
Door nanotrapoden in vertakkende netwerken te rangschikken, heeft Cui ze getransformeerd van een onbewerkt ingrediënt in iets dat zou kunnen worden ingebouwd in echte apparaten, zoals zonnecellen. En omdat de nanotrapoden klein genoeg zijn om de aanwezigheid van individuele elektronen te registreren, kunnen ze zelfs profiteren van de vreemde kwantumeigenschappen van subatomaire deeltjes, waardoor ze de basis vormen voor nieuwe soorten computers die duizenden keren sneller zullen werken dan de snelste machines van vandaag. Hoewel die toepassing nog vele jaren verwijderd is, heeft Cui al aangetoond dat het mogelijk is om nieuwe structuren te bouwen met de basisingrediënten van nanotech.
Leroy ohlsen
Leeftijd: 30 | Oprichter en Chief Technology Officer | Neah Power Systems
Brandstofcellen die op methanol werken, kunnen mobiele telefoons en laptops van stroom voorzien, maar ze zijn duur en niet erg krachtig. Leroy Ohlsen, oprichter van Neah Power Systems uit Bothell, WA, verving de plastic membranen van de cellen, die elektronen uit de methanol strippen om elektriciteit te produceren, door poreus silicium. Het silicium geeft ons niet alleen meer kracht, zegt Ohlsen, maar het kan ook de productiekosten verlagen. Verwacht de eerste brandstofcellen van het bedrijf in 2006.
Molly Stevens
Leeftijd: 30 | Docent | Imperial College Londen
Materiaalwetenschapper Molly Stevens is van mening dat er niets boven biologische systemen gaat als het gaat om het waarnemen van veranderingen in de omgeving. Daarom wendt ze zich tot biologische moleculen om slimme nanomaterialen te maken die kunnen leiden tot nieuwe, implanteerbare apparaten voor detectie en medicijnafgifte.
Dergelijke apparaten zouden snel fysiologische veranderingen in het lichaam detecteren, zoals een stijging van cholesterol, en reageren door de juiste dosis van een opgeslagen medicijn af te geven. Dat is tenminste de visie. Maar om dit te realiseren, zijn nieuwe soorten materialen nodig die zich onder verschillende chemische omstandigheden anders gedragen.
Stevens heeft onlangs aangetoond dat ze het gedrag van gouden nanodeeltjes kan sturen door de pH van de oplossing waarin ze gesuspendeerd zijn te veranderen. Ze hechtte de deeltjes aan speciaal ontworpen peptidemoleculen die, onder de juiste pH-omstandigheden, met elkaar interageren om de deeltjes samen te trekken tot een georganiseerde structuur. Een verandering in pH verandert de vorm van de peptiden zodat ze elkaar afstoten en de deeltjes verspreiden. We nemen het beste van de creativiteit van de natuur en gebruiken het voor onszelf, zegt Stevens.
Het experiment laat zien dat het mogelijk is om materialen te maken die zichzelf automatisch hervormen als reactie op chemische veranderingen in het lichaam. Een dergelijk materiaal zou implanteerbare apparaten voor medicijnafgifte kunnen opleveren die fungeren als hun eigen biologische sensoren.
Stevens maakt gebruik van de veelzijdigheid van peptiden voor de volgende fase van haar werk. Ze is nu bezig met het engineeren van de peptiden zodat ze op subtielere en meer gevarieerde manieren van vorm veranderen. Een apparaat voor medicijnafgifte dat gemaakt is met behulp van dergelijke peptiden zou gevoeliger zijn voor fysiologische veranderingen en zou meer controle kunnen bieden over een groot aantal verschillende medicijndoseringen. Als haar nieuwe project slaagt, zal Stevens een belangrijke rol hebben gespeeld bij het veel slimmer maken van nanomaterialen, maar ook van het toedienen van medicijnen.
Vladimir Bulovic
Leeftijd: 34
Universitair hoofddocent, MIT
Gebruikt organische en nanogestructureerde halfgeleiders in apparaten zoals light-emitting diodes, lasers, fotodetectoren en chemische sensoren. Startende bedrijven hebben veel van zijn 30 Amerikaanse patenten in licentie gegeven.
Mayank Bulsara
Leeftijd: 32
Medeoprichter en chief technology officer, AmberWave Systems
Medeoprichter van Salem, NH-gebaseerde AmberWave om gespannen silicium te ontwikkelen, een geavanceerde vorm van silicium waardoor computerchips sneller werken en minder stroom verbruiken.
Dustin Carr
Leeftijd: 34
Belangrijkste lid van de technische staf, Sandia National Laboratories
Creëert siliciumapparaten op nanoschaal die bewegingen op subatomaire schaal kunnen detecteren. De nanodetectoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in ultraprecieze versnellingsmeters voor vliegtuignavigatie.
Martin Culpepper
Leeftijd: 32
Universitair docent, MIT
Bouwt de machines die nodig zijn om hoogwaardige, goedkope nanofabricage te realiseren. Zijn nanomanipulatoren zijn flexibeler en presteren beter dan bestaande versies - tegen een twintigste van de kosten.
De vreugde van Delmau
Leeftijd: 33
Onderzoeksmedewerker, Oak Ridge National Laboratory
Heeft geholpen bij het oplossen van fundamentele problemen bij de behandeling van nucleair afval die hebben geleid tot een economisch proces voor het opruimen van meer dan 100.000 kubieke meter radioactief afval op de Savannah River Site in South Carolina, die de Amerikaanse nucleaire voorraad beheert.
Martha Gardner
Leeftijd: 33
Statisticus, General Electric
Creëerde statistische modellen en ontwerpsoftware om materiaalontwikkeling efficiënter te maken. Met behulp van haar methoden hebben ingenieurs de productontwikkelingstijd met 90 procent verkort.
Verena Graf
Leeftijd: 32
Ingenieur, DaimlerChrysler
Ontwikkelt brandstofcellen die praktisch zijn voor het aandrijven van auto's: ze zijn robuust, starten snel op en hebben een uitstekende vermogensdichtheid, ongeacht het weer.
Yu Han
Leeftijd: 27
Postdoctoraal onderzoeker, Instituut voor Bio-engineering en Nanotechnologie (Singapore)
Gesynthetiseerde deeltjes op nanoschaal met kleine, nauwkeurig gedefinieerde poriën. Zijn materialen kunnen worden gebruikt voor de gecontroleerde afgifte van medicijnen of voor gentherapie.
Stefan Hecht
Leeftijd: 30
Universitair docent, Vrije Universiteit van Berlijn
Een nieuwe klasse van polymeer nanobuisjes en andere moleculaire bouwstenen bedacht. Deze nieuwe materialen hebben potentiële toepassingen bij de fabricage van elektronische apparaten op nanoschaal.
Darrell Irvine
Leeftijd: 31
Universitair docent, MIT
Maakt nanodeeltjes die chemicaliën in het lichaam vrijgeven om immuuncellen te programmeren om virale infecties zoals HIV te bestrijden, om transplantaties te tolereren of zelfs om kwaadaardige tumoren te vernietigen.
Rustem Ismagilov
Leeftijd: 31
Universitair docent, Universiteit van Chicago
Ontwikkelt microfluïdische technologieën die kleine druppeltjes gebruiken om de functie en structuur van eiwitten te karakteriseren en om complexe biochemische processen te modelleren. De microfluïdische modellen moeten inzichten opleveren die relevant zijn voor de ontdekking van geneesmiddelen en het ontwerp van medische hulpmiddelen.
Albena Ivanisevic
Leeftijd: 29
Universitair docent, Purdu University
Gebruikt microscopisch kleine tips om precieze patronen van peptiden direct op weefsels in het lichaam af te zetten. Haar techniek, die ze in varkensogen test, zou blindheid kunnen helpen behandelen of zelfs genezen.
Ravi Kane
Leeftijd: 32
Universitair docent, Rensselaer Polytechnisch Instituut
Creëerde een zeer krachtige miltvuurbehandeling waarbij elk medicijnmolecuul meerdere toxinemoleculen blokkeert in plaats van slechts één. Hij breidt het concept uit naar anti-hiv-therapieën.
Kinneret Keren
Leeftijd: 32
Postdoctoraal onderzoeker, Stanford University Medical School
Maakt gebruik van op biologie gebaseerde zelfassemblage om moleculaire elektronica te bouwen. Ze creëerde een zelf-geassembleerd moleculair-elektronisch apparaat - een koolstof nanobuistransistor - met behulp van een DNA-sjabloon.
Jamie Link
Leeftijd: 26
Doctoraatsstudent, Universiteit van Californië, San Diego
Optische streepjescodes geëtst in stukjes silicium ter grootte van een micrometer. Ze hoopt de technologie te gebruiken om verontreinigende stoffen in water of kankercellen in het lichaam te detecteren.
Yueh-Lin (Lynn) Loo
Leeftijd: 30
Assistent-professor, Universiteit van Texas in Austin
Uitgevonden nano-transferprinten, een milieuvriendelijke techniek voor het patroontekenen van nanoschaalkenmerken op organische elektronica en plastic circuits. Dit nanopatroonschema zou kunnen worden gebruikt om flexibele displays met een groot oppervlak en goedkope zonnecellen te maken, en het zou nieuwe medische therapieën en diagnostiek mogelijk kunnen maken.
Tyler McQuade
Leeftijd: 33
Universitair docent, Cornell University
Creëert katalysatoren om het aantal stappen dat nodig is om medicijnen te synthetiseren te verminderen, waardoor milieugevaarlijke bijproducten worden verminderd. Hij hoopt dat één systeem de fabricage van Prozac, een bestverkochte antidepressiva, van vier stappen naar slechts één zal brengen.
Teri Odom
Leeftijd: 30
Assistent professor,
Noordwestelijke Universiteit
Silicium met patroon om minuscule bekers te maken die alleen zeptoliters bevatten (de silicium nanowells zijn slechts 50 nanometer breed), ideaal voor het kweken van individuele nanodeeltjes van specifieke en uniforme grootte. Een dergelijke ultraprecisie maakt het mogelijk om deeltjes af te stemmen op gespecialiseerde toepassingen, zoals ultragevoelige chemische sensoren.
Erik Scher
Leeftijd: 28
Onderzoeks- en ontwikkelingswetenschapper, Nanosys
Werkt aan anorganische halfgeleider nanomaterialen die Palo Alto, CA-gebaseerde Nanosys helpen bij het ontwikkelen van goedkope, flexibele zonnecellen. De partner van Nanosys, Matsushita, is van plan om de nano-zonnecellen in bouwmaterialen te verwerken.
Michael Strange
Leeftijd: 28
Universitair docent, Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign
Aangekomen tot een nieuw begrip van de oppervlaktechemie van koolstofnanobuizen waarmee koolstofnanobuizen kunnen worden gesorteerd op basis van hun halfgeleidende, metallische of isolerende eigenschappen. Dit doorbreekt de grote wegversperring die het gebruik van nanobuisjes in apparaten heeft verhinderd.
William Taylor
Leeftijd: 32
Directeur engineering, ArvinMeritor
Speerpunt in de inspanningen om de plasmatron op de markt te brengen, een apparaat voor verontreinigingsbeheersing dat dieselbrandstof omzet in waterstof, waardoor de uitstoot van stikstofoxide tot 90 procent wordt verminderd.
Tsuyoshi Yamamoto
Leeftijd: 31
Onderzoeker, NEC
Demonstreerde de allereerste logische poort met twee qubits in een solid-state apparaat, een vooruitgang die cruciaal is voor het bouwen van een ultrasnelle kwantumcomputer.
Shu Yang
Leeftijd: 33
Universitair docent, Universiteit van Pennsylvania
Ontwerpt slimme fotonische apparaten voor razendsnelle computers en communicatienetwerken. Bij Bell Labs ontwikkelde ze een vloeibare microlens die in milliseconden elektronisch kan worden gefocust om lichtsignalen in optische vezels te sturen.
Yuankai Zheng
Leeftijd: 34
Onderzoekswetenschapper, Data Storage Institute (Singapore)
Vereenvoudigde de productie van magnetische RAM, waardoor deze snelle, niet-vluchtige vorm van computergeheugen goedkoper en praktischer werd. Een magnetische RAM-chip ter grootte van een miniatuur zou 32 gigabyte aan gegevens kunnen opslaan.