211service.com
Van flesraketten tot bionische spinazie
Michael Strano zette als kind raketten op waterstof af. Tegenwoordig ontwikkelt zijn laboratorium nanosensoren, bionische planten, ijsdraden op nanoschaal en een gloednieuwe energiebron. 22 februari 2017
Voor een chemisch technisch laboratorium heeft de werkruimte van Michael Strano een ongebruikelijke reeks groen: spinazie, waterkers en rucola. Strano heeft nanodeeltjes in de planten geïntroduceerd, via hun bladeren, om ze nieuwe mogelijkheden te geven. Je zou ze niet willen eten, zegt hij, wijzend op de weelderige saladegroenten. Deze is ontworpen om te gloeien als een bureaulamp en die probeert met je mobiele telefoon te praten. Hij heeft ook spinazieplanten gemaakt die explosieven in de bodem kunnen detecteren en die informatie kunnen doorgeven aan een waarnemer op afstand.
Strano werkt al lang met koolstofnanobuisjes en was een pionier in het gebruik ervan als sensoren in zowel planten als mensen en dieren. Hij heeft ook nanodeeltjes gebruikt om de mogelijkheden van planten te verbeteren, door apparaten te maken die op sciencefiction lijken te lijken, zoals de plant-als-bureaulamp. Onderweg ontdekte hij hoe nanobuisjes kunnen dienen als een geheel nieuwe energiebron. Zijn werk omvat thermodynamica, materiaalwetenschap, nanotechnologie en nu ook plantenbiologie - een samenloop van interesses die zeldzaam blijft in de hogere regionen van de academische wereld.
We hebben verschillende ecosystemen in dit lab, zegt Mike Lee, een Strano-student die werkt aan sensoren in vissen. Hij is zo'n gepassioneerde man en er is zoveel te leren.
Chemie in de achtertuin
Strano's geschiedenis van het nemen van creatieve risico's begon al vroeg. Hij groeide op in Pennsylvania en sleutelde aan scheikunde en elektronica. Zijn vader, die begon als elektricien voor Bell Telephone in Philadelphia, verhuisde later het gezin de stad uit om een winkel voor audio-elektronica te beginnen. Op de leeftijd van 10 of 11 ontdekte Strano hoe hij zout water kon elektrolyseren door er een stroom doorheen te laten lopen om waterstofgas vrij te geven, dat hij in glazen flessen in de vriezer opsloeg. Toen zijn oudere broer, John, zich afvroeg of hij inderdaad waterstof had opgevangen, toonde Strano aan dat door een verwarmde draad door de dop te steken om het gas te ontsteken, hij een Snapple-fles 30 voet de lucht in kon schieten. Daarna was iedereen doodsbang, zegt hij. Maar voor mij was het bijna magie. Ik zou dit heldere gas kunnen nemen en mensen verbazen.
Toen Strano 12 was, stierf zijn vader plotseling aan een hartaanval, waardoor zijn moeder met vijf kinderen achterbleef (Strano was de op een na oudste). We hebben geworsteld, zegt hij. En de wetenschap was een productieve uitlaatklep van dat alles. In 1993 werd hij het eerste lid van zijn familie dat naar de universiteit ging - Brooklyn Polytechnic, waar hij zich toelegde op chemische technologie. Hij crediteert de school met het verstrekken van een sterke wiskundige en analytische basis. Het was het soort plaats waar de nadruk lag op lesgeven en waar studenten aan strenge normen werden gehouden: de hele klas zou misschien niets hoger dan een B krijgen, zegt hij.
Ingenieurs zijn niet opgeleid om naar planten te kijken als het startpunt voor technologie.
In 1997 begon Strano aan een doctoraat aan de Universiteit van Delaware, waar hij werkte aan het maken van poreuze koolstofmembranen die chemische reacties konden vergemakkelijken. Hij werkte ook aan een project, gesponsord door DuPont, waarvoor hij een membraan ontwierp dat stikstof en zuurstof kon scheiden van perslucht. Terwijl vrijwel al zijn PhD-collega's naar een baan in de industrie gingen, besloot Strano een carrière in de academische wereld na te streven en door te stromen naar een postdoctorale beurs aan de Rice University in Houston.
Bij Rice trad Strano toe tot het laboratorium van Richard Smalley, een chemicus die de Nobelprijs had gewonnen voor zijn werk aan een vorm van koolstof die buckyballs wordt genoemd. Ik was de enige postdoc in het lab, herinnert Strano zich, die uitlegde dat Smalley, die notoir veeleisend was, alle andere postdocs had weggejaagd. Toch slaagde hij erin te gedijen onder Smalley, schijnende lasers op nanodeeltjes om meer te weten te komen over hun lichtgevende eigenschappen. Hij richtte zich in het bijzonder op deeltjes die licht uitstralen in het nabij-infrarode deel van het spectrum. Deze eigenschap trof hem als belangrijk omdat het menselijk lichaam transparant is voor nabij-infrarood licht.
Toen hij in 2006 assistent-professor werd aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, besloot Strano te onderzoeken of hij deze nanodeeltjes in het lichaam kon introduceren, waar ze zouden kunnen fungeren als sensoren, zich binden aan moleculen en informatie doorgeven via de huid via van fluorescentie. Toen hij zijn nieuwe lab oprichtte, wijdde hij zich aan die visie. Destijds was het een ondoordacht idee, zegt hij, en hij merkte op dat er weinig onderzoek was gedaan naar de vraag of nanodeeltjes effectief als sensoren konden dienen - of zelfs of ze veilig zouden zijn. (Een sceptische vroege recensent vergeleek het idee om dergelijke nanosensoren te ontwikkelen met het plaatsen van een blikopener in het menselijk lichaam.) Strano's benadering was om koolstofnanodeeltjes te nemen en ze te coaten met een polymeer dat zich aan glucose kan binden en kan reageren op verschillende suikerconcentraties. Wanneer een extern apparaat dat door de patiënt werd gedragen licht door de huid scheen, veroorzaakte dit dat de nanodeeltjes fluoresceerden, met handtekeningen die varieerden afhankelijk van deze glucoseconcentraties. (Hij voerde ook dierproeven uit om aan te tonen dat de nanodeeltjes veilig leken.) Al vroeg concentreerde Strano zich op glucose omdat hij geloofde dat implanteerbare sensoren mensen met diabetes zouden helpen, zoals de neef van zijn vrouw. Zijn doel op korte termijn was om te voorkomen dat ze zichzelf vaak moesten vastplakken om de bloedsuikerspiegel te meten. Maar het uiteindelijke doel is om een kunstmatige alvleesklier te ontwikkelen die de bloedsuikerspiegel kan meten en in realtime insuline toedienen.
In 2007 werd Strano aangeworven bij MIT, waar hij in slechts twee jaar een vaste aanstelling kreeg. Hij zette het werk aan nanosensoren voort en toonde in 2009 aan dat koolstofnanobuisjes die onder de huid worden geïnjecteerd als een soort tatoeage, kunnen worden gebruikt om de bloedsuikerspiegel te meten. In de loop van de tijd ontwikkelde hij ook tal van andere sensoren. De technologie detecteerde moleculen als fibrinogeen, dat belangrijk is voor de bloedstolling, en stikstofmonoxide, dat dient als een belangrijk signaalmolecuul in het cardiovasculaire systeem en elders. Hij werkte ook om de gevoeligheid van zijn sensoren te vergroten. In een krant dit jaar in Natuur Nanotechnologie , onthulde hij sensoren die afzonderlijke eiwitmoleculen konden identificeren.
THERMOKRACHT
Al vroeg in zijn tijd bij MIT ontdekte Strano ook een nieuw mechanisme voor energieopwekking - geheel per ongeluk. In 2008 was hij begonnen te werken aan een project, gefinancierd door de Amerikaanse luchtmacht, om nieuwe actuatoren te ontwikkelen die snel zouden reageren op een chemische trigger. Als onderdeel van het werk plaatste hij het explosieve TNT rond het oppervlak van koolstofnanobuisjes om de snelheid te observeren waarmee het in die omgeving ontbrandde. Terwijl hij de metingen deed, merkte hij echter dat de reactie ook een grote en onverwachte elektrische puls produceerde. Met andere woorden, de reactie van TNT op het oppervlak van een koolstofnanobuis leek de warmte van de reactie om te zetten in elektriciteit, waardoor er krachtuitbarstingen ontstonden die veel groter waren dan de wetenschappelijke theorie destijds voorspelde.
Strano was de eerste die dit fenomeen observeerde, dat hij de thermopower-golf noemde. Het was een nieuw en opwindend idee om een vluchtige chemische reactie om te zetten in een zeer krachtige puls van elektriciteit, zegt Kourosh Kalantar-Zadeh, directeur van het Center for Advanced Electronics and Sensors aan de RMIT University in Australië. Naast de theoretische interesse die het had voor chemici, heeft de ontdekking de deur geopend naar nieuwe energiebronnen. In sommige contexten willen onderzoekers of consumenten bronnen die in staat zijn om in korte tijd grote hoeveelheden stroom te leveren. Thermokrachtgolven zouden dit mogelijk maken, en ze zouden in theorie voor onbepaalde tijd ongebruikt kunnen blijven zonder energie te verliezen. Omdat ze voor opslag afhankelijk zijn van chemische bindingen, zouden stroombronnen die dit mechanisme gebruiken, meer lijken op brandstof in een benzinetank dan bijvoorbeeld een lithium-ionbatterij van een mobiele telefoon die langzaam ontlaadt en doodgaat, zegt Strano. Recentelijk heeft hij ook aangetoond dat thermokrachtgolven kunnen worden opgewekt zonder het gebruik van explosieven of hoge temperaturen. In het bijzonder heeft hij acetonitril op nanobuisjes geplaatst en dit laten verdampen; die chemische verandering, zo blijkt, is genoeg om de elektrische stroom op te wekken. Strano en anderen over de hele wereld zijn begonnen te experimenteren met eenvoudige apparaten die mogelijk gebruik maken van thermo-energiegolven, maar hij zegt dat de toepassingen zich nog in een vroeg stadium bevinden.
Het laboratorium van Strano heeft nanodeeltjes in spinazie en rucola-zaailingen gebracht, waardoor planten zijn ontstaan die chemicaliën detecteren of licht uitstralen.
BIONISCHE PLANTEN
Strano richtte zijn wonderbaarlijke verbeeldingskracht in 2009 voor het eerst op plantenbiologie. Aanvankelijk dacht hij dat het opmerkelijke vermogen van planten om belangrijke eiwitten te regenereren oplossingen zou kunnen bieden voor een probleem op het gebied van zonne-energie: blootstelling aan zonlicht degradeert geleidelijk veel materialen die worden gebruikt om de zonne-energie op te vangen. energie. In 2010 ontwikkelde het team van Strano een reeks synthetische moleculen die, wanneer ze in een oplossing worden gehouden, zichzelf spontaan kunnen assembleren tot een fotovoltaïsche structuur; de cel breekt af wanneer een oppervlakteactieve stof aan de oplossing wordt toegevoegd, maar herstelt zichzelf snel zodra de oppervlakteactieve stof eruit is gefilterd. Kort daarna begon hij zich te concentreren op de andere fysiologische vermogens van planten: ze produceren bijvoorbeeld hun eigen stroom, pompen hun eigen water op en verbruiken meer koolstofdioxide dan ze produceren. In mijn vakgebied zijn ingenieurs niet opgeleid om planten te zien als het startpunt voor technologie, zegt Strano. Maar hij begon ze te zien als microfluïdische netwerken die een mechanisme hebben om vloeistoffen intern te transporteren, terwijl hun chloroplasten, de structuren waar fotosynthese plaatsvindt, kunnen worden vergeleken met chemische batterijen. Je kunt een vereenvoudigd perspectief op planten samenstellen dat een grote aantrekkingskracht heeft op ingenieurs zoals ik, zegt hij.
In 2011 nam Strano bioloog Juan Pablo Giraldo in dienst als postdoctoraal onderzoeker. Giraldo, die nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Californië in Riverside, zegt dat hij zich energiek voelde om de werelden van nanomaterialen en het levende organische te helpen samensmelten. In een paper uit 2014 in Natuurmaterialen , toonde het team aan dat planten koolstofnanodeeltjes zouden opnemen via poriën aan de onderkant van hun bladeren, huidmondjes genoemd, en dat deze deeltjes dan de chloroplasten van de plant zouden binnendringen. Na deze ontdekking introduceerden de onderzoekers nanodeeltjes waarmee bladeren golflengten van licht konden absorberen waar planten normaal geen gebruik van maken, waardoor hun fotosynthetische bereik effectief werd vergroot. De onderzoekers leverden ook deeltjes die dienen als antioxidanten en zo de bladgroenkorrels beschermen tegen schade door intensieve blootstelling aan zonlicht. Daardoor konden ze het fotosynthetische potentieel van de planten met 30 procent verhogen. Deze bevinding zou in theorie kunnen worden gebruikt om planten te helpen beter te groeien in omgevingen met een hoge dichtheid, waar ze beperkt licht ontvangen in het zichtbare bereik en kunnen profiteren van het vermogen om andere golflengten te benutten.
In hetzelfde artikel toonden Strano, Giraldo en hun collega's ook aan dat ze planten konden veranderen in sensoren voor stikstofmonoxide, een verontreinigende stof die bijdraagt aan zure regen. De onderzoekers deden dit door nanodeeltjes in polymeren te wikkelen die selectief konden interageren met stikstofmonoxide en die deeltjes vervolgens in planten te introduceren. Toen stikstofmonoxide aanwezig was, veranderde het de manier waarop de onderliggende nanodeeltjes licht uitstraalden. In 2016 veranderde de groep van Strano spinaziebladeren in sensoren voor nitroaromatische verbindingen, een soort explosief, door koolstofnanobuizen gecoat in selectieve polymeren in de bladeren op te nemen. In theorie zouden de planten, als nitroaromaten in het grondwater aanwezig waren, deze kunnen detecteren en een melding kunnen sturen naar een apparaat in de buurt, zoals een infraroodcamera die is aangesloten op een kleine computer, of zelfs een mobiele telefoon zonder infraroodfilter. (De praktische relevantie van dit systeem is niet helemaal duidelijk, maar het suggereert een benadering voor het opsporen van landmijnen of verontreinigende stoffen in grondwater.)
Strano zegt dat dit plantwerk vooral verheugend is om te bespreken met zijn dochters, die 11, negen, zeven en vier jaar oud zijn. Bionische planten - dat is eigenlijk een gesprek dat je kunt voeren met een zevenjarige, zegt hij. Strano en zijn gezin wonen in Lexington, Massachusetts, waar uitstekende openbare scholen zijn; maar aangezien zijn oudste dochter oud genoeg was om naar de kleuterschool te gaan, hebben hij en zijn vrouw, Sally, een voormalig wiskundige, ervoor gekozen om de kinderen thuisonderwijs te geven. Ze maken deel uit van een coöperatie voor thuisonderwijs, die een keer per week bijeenkomt en enige structuur biedt, maar veel van hun aanpak is freewheelen (met uitzondering van wiskunde, waarvan Strano zegt dat er dagelijkse oefeningen nodig zijn). De meisjes brengen lange uren door in de bibliotheek en lezen zelfstandig. Twee van hen vergezelden onlangs hun vader op een reis naar Japan, waar ze de Japanse cultuur en een paar woorden van de taal leerden kennen.
Natuurlijk is Strano vooral enthousiast om de kinderen wetenschap te leren. Ik neem mijn mandaat serieus, zegt hij. Ik heb vier meisjes en ik kan niet garanderen dat ze allemaal in STEM zullen gaan, maar het gaat die kant op. Hij en zijn vrouw moedigen de kinderen aan om experimenten te ontwerpen en elk onderzoeksgebied na te streven dat hen interesseert. De 11-jarige, die van knutselen en knutselen houdt, deed een project over hoe slijm op basis van maïszetmeel van een hellend vlak glijdt. De negenjarige, die dol is op vogels, gebruikte een time-lapse-camera om te bestuderen welke soorten bij elkaar voedden bij een vogelvoeder. De meisjes brengen ook regelmatig een bezoek aan het laboratorium van Strano, waar ze de projecten van hun vader uit de eerste hand kunnen bekijken.
Een van de meer speelse bezigheden in het laboratorium zijn elektronische apparaten gemaakt van planten. Strano en zijn studenten richten zich met name op afstandsbedieningen, die normaal gesproken communiceren via infraroodenergie. Door planten te modificeren met nanodeeltjes zodat ze op het juiste moment infrarode energie afgeven - bijvoorbeeld als reactie op de wens van een consument om de tv aan te zetten - kunnen de onderzoekers planten in staat stellen dezelfde functie te vervullen als deze gadgets. We denken dat we sommige van de apparaten die momenteel uit plastic zijn geperst, kunnen vervangen, zegt Strano, eraan toevoegend dat het doel is om een groenere klasse van elektronica te creëren. Een uitdaging bij het nabootsen van afstandsbedieningen is echter dat hun signalering zeer snel plaatsvindt, in de orde van milliseconden, en planten houden er niet van om zo snel te bewegen. (Je vraagt je ook af wat het lot is van plantaardige elektronica, die water nodig heeft, wanneer hun menselijke eigenaren op vakantie gaan. De apparaten zouden zichzelf water moeten geven, zegt Strano.)
Mike Lee, een tweedejaarsstudent, is verantwoordelijk voor het houden van een groot aquarium met goudvissen in de kelder van het laboratorium en voor het ontwikkelen van op nanodeeltjes gebaseerde sensoren die erin kunnen worden geïnjecteerd om hun concentraties van stresshormoon of cortisol te detecteren. Het project is een samenwerking met wetenschappers van de King Abdullah University of Science and Technology in Saoedi-Arabië, die van plan zijn vissen uit te zetten in de Rode Zee, waarbij ze hun cortisolspiegels analyseren als reactie op de omgevingsomstandigheden.
Meest recent deed Strano een verrassende ontdekking over het gedrag van water zelf binnen de grenzen van koolstofnanobuisjes. In een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie in november toonde hij aan dat in een nanobuisje met een zeer specifieke diameter, bij temperaturen tot minstens 105 °C, water een vaste stof vormde, net als ijs. Wanneer vloeistof zich in een beperkte omgeving bevindt, wordt het fasegedrag vervormd, maar dit is een extreem geval, zegt hij. Onderzoekers kunnen mogelijk kleine draadjes maken van vast water, die stabiel zouden zijn bij kamertemperatuur en protonen zouden geleiden met een hoog rendement, zoals bekend is van water. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn voor de ontwikkeling van betere waterstofbrandstofcellen. Strano zegt dat hij enthousiast is om de eigenschappen van ijs-nanodraden te onderzoeken, maar hij voegt eraan toe dat de jury niet weet of ze van enig nut zullen zijn.