211service.com
Dai razzi in bottiglia agli spinaci bionici
Michael Strano ha lanciato razzi alimentati a idrogeno da bambino. Oggi il suo laboratorio sta sviluppando nanosensori, piante bioniche, fili di ghiaccio su scala nanometrica e una nuovissima fonte di energia. 22 febbraio 2017
Per un laboratorio di ingegneria chimica, lo spazio di lavoro di Michael Strano ha un'insolita varietà di vegetazione: spinaci, crescione e rucola. Strano ha introdotto nanoparticelle nelle piante, attraverso le loro foglie, per dare loro nuove capacità. Non vorresti mangiarli, dice, indicando le rigogliose verdure per insalata. Questo è progettato per brillare come una lampada da scrivania e quello sta cercando di parlare con il tuo cellulare. Ha anche creato piante di spinaci in grado di percepire gli esplosivi nel suolo e trasmettere tali informazioni a un osservatore remoto.
Strano ha lavorato a lungo con i nanotubi di carbonio e ha aperto la strada al loro utilizzo come sensori nelle piante, nell'uomo e negli animali. Ha anche utilizzato le nanoparticelle per migliorare le capacità delle piante, creando dispositivi che sembrano rasentare la fantascienza, come la pianta-lampada da scrivania. Lungo la strada, ha scoperto come i nanotubi possono fungere da fonte di energia completamente nuova. Il suo lavoro abbraccia la termodinamica, la scienza dei materiali, la nanotecnologia e ora la biologia vegetale, una confluenza di interessi che rimane rara nei livelli superiori del mondo accademico.
Abbiamo diversi ecosistemi in corso in questo laboratorio, afferma Mike Lee, uno studente di Strano che lavora sui sensori nei pesci. È un ragazzo così appassionato e c'è così tanto da imparare.
Chimica del cortile
La storia di Strano di assunzione di rischi creativi è iniziata presto. Cresciuto in Pennsylvania, ha armeggiato con la chimica e l'elettronica. Suo padre, che ha iniziato come elettricista per la Bell Telephone a Filadelfia, in seguito ha trasferito la famiglia fuori città per avviare un negozio di elettronica audio. All'età di 10 o 11 anni, Strano scoprì come elettrolizzare l'acqua salata, facendola scorrere attraverso una corrente per rilasciare gas idrogeno, che conservava in bottiglie di vetro nel congelatore. Quando suo fratello maggiore, John, si è chiesto se avesse effettivamente catturato l'idrogeno, Strano ha mostrato che inserendo un filo riscaldato attraverso il tappo per accendere il gas, poteva sparare una bottiglia Snapple a 100 piedi in aria. Dopodiché, tutti erano terrorizzati, dice. Ma per me è stato quasi come per magia. Potrei prendere questo gas limpido e stupire le persone.
Quando Strano aveva 12 anni, suo padre morì improvvisamente di infarto, lasciando sua madre con cinque figli (Strano era il secondo più grande). Abbiamo lottato, dice. E la scienza era uno sbocco produttivo da tutto ciò. Nel 1993, è diventato il primo membro della sua famiglia a frequentare il college, il Brooklyn Polytechnic, dove si è concentrato sull'ingegneria chimica. Attribuisce alla scuola il merito di aver fornito una solida base matematica e analitica. Era il tipo di posto che enfatizzava l'insegnamento e teneva gli studenti a standard rigorosi: l'intera classe potrebbe non ottenere niente di più di un B, dice.
Gli ingegneri non sono stati formati per considerare gli impianti come il punto di partenza della tecnologia.
Nel 1997 Strano ha iniziato un dottorato di ricerca presso l'Università del Delaware, lavorando per realizzare membrane di carbonio porose che potessero facilitare le reazioni chimiche. Ha anche lavorato a un progetto, sponsorizzato da DuPont, per il quale ha progettato una membrana in grado di separare azoto e ossigeno dall'aria pressurizzata. Mentre praticamente tutti i suoi colleghi PhD hanno continuato a lavorare nell'industria, Strano ha deciso di intraprendere una carriera nel mondo accademico, passando a una borsa di studio post-dottorato alla Rice University, a Houston.
Alla Rice, Strano si unì al laboratorio di Richard Smalley, un chimico che aveva vinto il premio Nobel per il suo lavoro su una forma di carbonio chiamata buckyballs. Ero l'unico post-dottorato nel laboratorio, ricorda Strano, spiegando che Smalley, notoriamente esigente, aveva in qualche modo cacciato tutti gli altri post-dottorato. Tuttavia, è riuscito a prosperare sotto Smalley, puntando i laser sulle nanoparticelle per conoscere le loro proprietà di emissione di luce. In particolare, si è concentrato sulle particelle che emettono luce nella porzione del vicino infrarosso dello spettro. Questa proprietà gli è sembrata significativa perché il corpo umano è trasparente alla luce del vicino infrarosso.
Quando è diventato assistente professore all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign nel 2006, Strano ha deciso di indagare se poteva introdurre queste nanoparticelle nel corpo, dove potrebbero agire come sensori, legarsi alle molecole e trasmettere informazioni attraverso la pelle attraverso di fluorescenza. Quando ha allestito il suo nuovo laboratorio, si è dedicato a quella visione. All'epoca era un'idea banale, dice, osservando che era stato fatto poco lavoro sul fatto che le nanoparticelle potessero fungere efficacemente da sensori o anche se sarebbero state sicure. (Uno dei primi revisori scettici ha paragonato l'idea di sviluppare tali nanosensori all'inserimento di un apriscatole nel corpo umano.) L'approccio di Strano era quello di prendere le nanoparticelle di carbonio e rivestirle con un polimero che potesse legarsi al glucosio e rispondere a diverse concentrazioni di zucchero. Quando un dispositivo esterno indossato dal paziente ha fatto brillare luce attraverso la pelle, ha causato la fluorescenza delle nanoparticelle, con firme che variavano in base a queste concentrazioni di glucosio. (Ha anche condotto esperimenti sugli animali per dimostrare che le nanoparticelle sembravano sicure.) All'inizio, Strano si è concentrato sul glucosio perché credeva che i sensori impiantabili avrebbero aiutato le persone con diabete, come il nipote di sua moglie. Il suo obiettivo a breve termine era eliminare la necessità che si attaccassero frequentemente per misurare la glicemia. Ma l'obiettivo finale è sviluppare un pancreas artificiale in grado di misurare la glicemia e somministrare insulina in tempo reale.
Nel 2007 Strano è stato reclutato al MIT, dove ha ottenuto la cattedra in soli due anni. Ha continuato il lavoro sui nanosensori e nel 2009 ha dimostrato che i nanotubi di carbonio iniettati sotto la pelle come una specie di tatuaggio potevano essere usati per misurare i livelli di glucosio nel sangue. Nel tempo, ha sviluppato anche una miriade di altri sensori. La tecnologia ha rilevato molecole come il fibrinogeno, importante per la coagulazione del sangue, e l'ossido nitrico, che funge da molecola di segnalazione chiave nel sistema cardiovascolare e altrove. Ha anche lavorato per aumentare la sensibilità dei suoi sensori. In un giornale di quest'anno a Natura Nanotecnologia , ha svelato sensori in grado di identificare singole molecole proteiche.
TERMOENERGIA
All'inizio della sua permanenza al MIT, Strano scoprì anche un nuovo meccanismo per la generazione di energia, del tutto per caso. Nel 2008 aveva iniziato a lavorare a un progetto, finanziato dall'aeronautica degli Stati Uniti, per sviluppare nuovi attuatori che rispondessero rapidamente a un innesco chimico. Come parte del lavoro, ha posizionato il TNT esplosivo sulla superficie dei nanotubi di carbonio per osservare la velocità con cui si accendeva in quell'ambiente. Mentre effettuava le misurazioni, tuttavia, notò che la reazione produceva anche un impulso elettrico ampio e inaspettato. In altre parole, la reazione del TNT sulla superficie di un nanotubo di carbonio sembrava convertire il calore della reazione in elettricità, generando esplosioni di potenza molto più grandi di quanto previsto dalla teoria scientifica all'epoca.
Strano è stato il primo a osservare questo fenomeno, che ha soprannominato l'onda termoelettrica. È stata un'idea nuova ed entusiasmante per trasformare una reazione chimica volatile in un impulso di elettricità ad altissima potenza, afferma Kourosh Kalantar-Zadeh, direttore del Center for Advanced Electronics and Sensors presso la RMIT University in Australia. Oltre all'interesse teorico per i chimici, la scoperta ha aperto le porte a nuove fonti di energia. In alcuni contesti, i ricercatori oi consumatori potrebbero desiderare fonti in grado di fornire grandi quantità di energia in brevi periodi di tempo. Le onde termoelettriche lo renderebbero possibile e in teoria potrebbero rimanere inutilizzate per periodi indefiniti senza perdere energia. Poiché si basano su legami chimici per lo stoccaggio, le fonti di alimentazione che utilizzano questo meccanismo sarebbero più simili al carburante in un serbatoio di gas che, ad esempio, a una batteria per cellulare agli ioni di litio che si scarica lentamente e si esaurisce, afferma Strano. Recentemente, ha anche dimostrato che le onde termoelettriche possono essere generate senza l'uso di esplosivi o temperature elevate. Nello specifico, ha posizionato acetonitrile su nanotubi e lo ha lasciato evaporare; quel cambiamento chimico, si scopre, è sufficiente per generare la corrente elettrica. Strano e altri in tutto il mondo hanno iniziato a sperimentare dispositivi semplici che potrebbero utilizzare onde termoelettriche, ma afferma che le applicazioni rimangono nelle fasi iniziali.
Il laboratorio di Strano ha infuso nanoparticelle in piantine di spinaci e rucola, creando piante che percepiscono sostanze chimiche o emettono luce.
PIANTE BIONICHE
Strano ha rivolto per la prima volta la sua prodigiosa immaginazione alla biologia vegetale nel 2009. Inizialmente, dice, pensava che la notevole capacità delle piante di rigenerare le proteine chiave potesse ispirare soluzioni a un problema nell'energia solare: l'esposizione alla luce solare degrada gradualmente molti materiali utilizzati per catturare l'energia solare energia. Nel 2010 il team di Strano ha sviluppato un insieme di molecole sintetiche che, trattenute in una soluzione, possono assemblarsi spontaneamente in una struttura fotovoltaica; la cellula si rompe quando un tensioattivo viene aggiunto alla soluzione ma si rimonta rapidamente una volta che il tensioattivo viene filtrato. Poco dopo, iniziò a concentrarsi sulle altre capacità fisiologiche delle piante: ad esempio, producono la propria energia, pompano la propria acqua e consumano più anidride carbonica di quella che producono. Nel mio campo, gli ingegneri non sono stati formati per considerare gli impianti come il punto di partenza per la tecnologia, afferma Strano. Ma iniziò a pensarle come reti microfluidiche che hanno un meccanismo per trasportare i fluidi all'interno, mentre i loro cloroplasti, le strutture in cui avviene la fotosintesi, possono essere paragonati a batterie chimiche. Puoi mettere insieme una prospettiva semplificata sugli impianti che ha un grande appeal per gli ingegneri come me, dice.
Nel 2011, Strano ha assunto il biologo Juan Pablo Giraldo come borsista post-dottorato. Giraldo, che ora è un assistente professore presso l'Università della California a Riverside, afferma di essersi sentito energico per aiutare a fondere il mondo dei nanomateriali e dell'organico vivente. In un documento del 2014 in Materiali della natura , il team ha dimostrato che le piante assorbirebbero nanoparticelle di carbonio attraverso i pori sul lato inferiore delle foglie, chiamati stomi, e che queste particelle entrerebbero quindi nei cloroplasti delle piante. A seguito di questa scoperta, i ricercatori hanno introdotto nanoparticelle che hanno permesso alle foglie di assorbire lunghezze d'onda della luce che le piante normalmente non utilizzano, espandendo efficacemente la loro gamma fotosintetica. I ricercatori hanno anche fornito particelle che fungono da antiossidanti e quindi proteggono i cloroplasti dai danni causati dall'intensa esposizione alla luce solare. Di conseguenza, sono stati in grado di aumentare del 30 percento il potenziale fotosintetico delle piante. Questa scoperta potrebbe teoricamente essere utilizzata per aiutare le piante a crescere meglio in ambienti ad alta densità, dove ricevono luce limitata nella gamma visibile e potrebbero trarre vantaggio dalla capacità di sfruttare altre lunghezze d'onda.
Nello stesso articolo, Strano, Giraldo e i loro colleghi hanno anche dimostrato di poter trasformare le piante in sensori per l'ossido nitrico, un inquinante che contribuisce alle piogge acide. I ricercatori lo hanno fatto avvolgendo nanoparticelle in polimeri che potrebbero interagire selettivamente con l'ossido nitrico e quindi introducendo quelle particelle nelle piante. Quando l'ossido nitrico era presente, cambiava il modo in cui le nanoparticelle sottostanti emettevano luce. Nel 2016, il gruppo di Strano ha trasformato le foglie di spinaci in sensori per composti nitroaromatici, un tipo di esplosivo, incorporando nelle foglie nanotubi di carbonio rivestiti con polimeri selettivi. In teoria, se i nitroaromatici fossero presenti nelle acque sotterranee, le piante potrebbero rilevarli e inviare una notifica a un dispositivo vicino come una fotocamera a infrarossi collegata a un piccolo computer o persino un telefono cellulare senza filtro a infrarossi. (La rilevanza pratica di questo sistema non è del tutto chiara, ma suggerisce un approccio per rilevare mine terrestri o inquinanti nelle acque sotterranee.)
Strano dice che questo lavoro sull'impianto è particolarmente gratificante da discutere con le sue figlie, che hanno 11, nove, sette e quattro anni. Piante bioniche, ora questa è in realtà una conversazione che puoi avere con un bambino di sette anni, dice. Strano e la sua famiglia vivono a Lexington, Massachusetts, che ha eccellenti scuole pubbliche; ma dal momento che sua figlia maggiore era abbastanza grande per la scuola materna, lui e sua moglie, Sally, un'ex matematica, hanno invece scelto di istruire a casa i bambini. Appartengono a una cooperativa di homeschooling, che si riunisce una volta alla settimana e fornisce una struttura, ma gran parte del loro approccio è a ruota libera (ad eccezione della matematica, che secondo Strano richiede esercitazioni quotidiane). Le ragazze trascorrono lunghe ore in biblioteca, leggendo in modo indipendente. Due di loro hanno recentemente accompagnato il padre in un viaggio in Giappone, dove hanno appreso della cultura giapponese e di alcune parole della lingua.
Naturalmente, Strano è particolarmente entusiasta di insegnare scienze ai bambini. Prendo sul serio il mio mandato, dice. Ho quattro ragazze e non posso garantire che entreranno tutte in STEM, ma si sta dirigendo da quella parte. Lui e sua moglie incoraggiano i bambini a progettare esperimenti e perseguire qualsiasi area di indagine che li interessi. L'undicenne, a cui piace la lavorazione del taglio e l'artigianato, ha realizzato un progetto su come la melma a base di amido di mais scivola lungo un piano inclinato. Il bambino di nove anni, che ama gli uccelli, ha usato una fotocamera time-lapse per studiare quali specie si nutrivano insieme a una mangiatoia per uccelli. Le ragazze fanno anche visite regolari al laboratorio di Strano, dove hanno una visione di prima mano dei progetti del padre.
Tra le attività più ludiche in corso in laboratorio ci sono i dispositivi elettronici realizzati con le piante. Strano ei suoi studenti si stanno concentrando in particolare sui telecomandi, che normalmente comunicano utilizzando l'energia a infrarossi. Modificando le piante con nanoparticelle in modo che rilascino energia a infrarossi al momento opportuno, in risposta, ad esempio, al desiderio di un consumatore di accendere la TV, i ricercatori potrebbero consentire alle piante di svolgere la stessa funzione di questi gadget. Pensiamo di poter sostituire alcuni dei dispositivi attualmente stampati in plastica, afferma Strano, aggiungendo che l'obiettivo è creare una classe di elettronica più ecologica. Una sfida nell'imitare i telecomandi, tuttavia, è che la loro segnalazione avviene molto rapidamente, nell'ordine di millisecondi, e alle piante non piace muoversi così velocemente. (Ci si interroga anche sul destino dell'elettronica a base vegetale, che richiede acqua, quando i loro proprietari umani vanno in vacanza. I dispositivi dovrebbero annaffiarsi da soli, dice Strano.)
Mike Lee, che è uno studente laureato del secondo anno, è responsabile della conservazione di un grande acquario di pesci rossi nel seminterrato del laboratorio e dello sviluppo di sensori basati su nanoparticelle che possono essere iniettati al loro interno per rilevare le loro concentrazioni di ormone dello stress, o cortisolo. Il progetto nasce dalla collaborazione con scienziati della King Abdullah University of Science and Technology in Arabia Saudita, che hanno in programma di rilasciare pesci nel Mar Rosso, analizzando i loro livelli di cortisolo in risposta alle condizioni ambientali.
Più recentemente, Strano ha fatto una scoperta sorprendente sul comportamento dell'acqua stessa all'interno dei confini dei nanotubi di carbonio. In un articolo pubblicato in Natura Nanotecnologia a novembre ha mostrato che all'interno di un nanotubo di un diametro molto specifico, a temperature fino ad almeno 105 °C, l'acqua formava un solido, molto simile al ghiaccio. Quando il fluido si trova in un ambiente confinato, il suo comportamento di fase diventa distorto, ma questo è un caso estremo, dice. I ricercatori potrebbero essere in grado di creare minuscoli fili fatti di acqua solida, che sarebbe stabile a temperatura ambiente e condurrebbe i protoni con un'elevata efficienza, come è noto che fa l'acqua. Questo potrebbe, ad esempio, rivelarsi utile per lo sviluppo di migliori celle a combustibile a idrogeno. Strano dice di essere entusiasta di esplorare le proprietà dei nanofili di ghiaccio, ma aggiunge che la giuria è fuori se saranno di qualche utilità.