TR 100 Nanotecnologia

La nanotecnologia, la scienza della costruzione e della manipolazione di strutture a livello molecolare, promette nuove prospettive e soluzioni inaspettate a un'ampia gamma di problemi esistenti nei semiconduttori, nell'ottica, nei sensori e nelle biotecnologie. Molti dei vincitori del TR100 di quest'anno, determinati a fare nuove scoperte, si stanno rivolgendo alla nanotecnologia per ottenere un livello senza precedenti di precisione, controllo e flessibilità nella creazione di nuovi materiali e dispositivi. I nanomateriali inventati da questo gruppo d'élite promettono di tutto, dall'elettronica più veloce e più piccola a terapie più efficaci e mirate. Quando si arriva alle scale di lunghezza nano, è possibile ottenere proprietà uniche, afferma Yi Cui dell'Università della California, Berkeley. La categoria Nanotech+ del TR100 comprende un'ampia gamma di innovazioni e ricerche nel campo della scienza dei materiali e dell'energia. Ma è sulla scala dell'ultrapiccolo che molti dei TR100 di quest'anno stanno dando i loro maggiori contributi.

Gran parte dell'azione è in biomedicina. Questo perché i nanomateriali hanno le dimensioni giuste per interagire con importanti attori biologici, come proteine, molecole di DNA e virus. L'applicazione delle nanotecnologie ai problemi biomedici è una scelta naturale, afferma Darrell Irvine , professore di ingegneria biomedica al MIT.

Irvine sta aiutando a costruire vaccini migliori contro malattie come la malaria e il cancro progettando nanoparticelle di un polimero sintetico. Le nanoparticelle, che trasportano molecole stimolanti e antigeni specifici, vengono captate dalle cellule immunitarie, innescando una risposta immunitaria. A causa delle loro minuscole dimensioni, le nanoparticelle possono consegnare le molecole con un alto livello di precisione a specifici recettori all'interno delle cellule. Ciò significa un migliore controllo della forza e del tipo della risposta immunitaria risultante, che dovrebbe rendere i vaccini più efficaci. Irvine ha recentemente iniziato a lavorare con ricercatori medici dell'Università di Harvard per studiare i materiali che potrebbero essere utilizzati per somministrare un vaccino contro l'HIV.

Albena Ivanisevic , un professore di chimica alla Purdue University, sta impiegando una tecnica chiamata nanolitografia a immersione per aiutare a risolvere un problema centrale per gli ingegneri dei tessuti che sperano di riparare parti del corpo danneggiate: controllare la crescita precisa delle cellule in luoghi specifici. Ivanisevic riveste le punte microscopiche con molecole peptidiche che nutrono le cellule; le punte quindi depositano i peptidi su una superficie. La capacità di disporre queste molecole di peptidi con precisione su scala nanometrica offre a Ivanisevic un maggiore controllo su come e dove le cellule cresceranno sulla superficie, formando infine nuovo tessuto per il corpo.

La nanotecnologia apre anche nuove possibilità a coloro che lavorano per sfruttare o manipolare la luce in modo più efficace. Come chiunque abbia mai dovuto cambiare una lampadina potrebbe sospettare, l'illuminazione a incandescenza convenzionale si basa su una tecnologia vecchia di 150 anni e i ricercatori sono alla ricerca di nuovi modi per prolungare la durata e aumentare l'efficienza dei materiali che emettono luce. Uno dei giocattoli preferiti dai ricercatori nel campo sono i punti quantici, nanoparticelle di materiale semiconduttore che emettono diversi colori di luce a seconda delle loro dimensioni. e Vladimir Bulovic , un professore di ingegneria elettrica al MIT, sta usando questi nano punti resistenti e dai colori vivaci per reinventare la lampadina. Dai punti quantici, Bulovic ha costruito nuovi diodi emettitori di luce che possono essere incorporati in materiali flessibili come la plastica e dovrebbero durare molto più a lungo delle normali lampadine. Mentre altri, incluso lo stesso Bulovic, hanno già sviluppato diodi organici a emissione di luce, Bulovic afferma che i punti quantici possono prolungare la loro durata effettiva, rendendoli più ampiamente utilizzabili. Spera di produrre un materiale flessibile a emissione di luce altamente efficiente e di lunga durata nei prossimi uno o due anni.

Marcel Bruchez , scienziato capo dello sviluppo prodotto presso Quantum Dot di Hayward, CA, sta anche arruolando le nanoparticelle luminose, ma per l'imaging biologico e lo sviluppo della diagnostica. I punti quantici emettono luce molto più a lungo dei coloranti convenzionali utilizzati per tracciare l'attività all'interno delle cellule viventi e i loro vari colori significano che i ricercatori possono visualizzare simultaneamente più eventi e ottenere una visione più ampia del funzionamento interno delle cellule. Per Bruchez, il vantaggio di lavorare con i nanomateriali è che aprono modi completamente nuovi di pensare ai problemi. Ti dà una maggiore flessibilità nella manipolazione dei materiali e nel metterli dove vuoi che vadano, dice Bruchez.

Anche i ricercatori di elettronica che perseguono circuiti sempre più piccoli e veloci stanno facendo progressi con l'aiuto della nanotecnologia. L'industria del silicio è già in regime nano, sottolinea Kinneret Keren, un ricercatore alla Stanford University. Ora stanno provando di più per il regime molecolare. Ciò significa utilizzare molecole come i nanotubi di carbonio per costruire circuiti elettrici di nuova generazione. Mentre altri ricercatori hanno già realizzato transistor con singoli nanotubi semiconduttori, Keren ha deciso di affrontare il processo di assemblaggio di tali transistor. Il suo trucco consisteva nell'attaccare pezzi complementari di DNA a un nanotubo ea un wafer di silicio; poiché i due pezzi di DNA legati naturalmente l'uno all'altro, hanno fatto il lavoro di unire il nanotubo e il wafer in modo da produrre un transistor. Sebbene il processo di Keren rimanga un'impresa di laboratorio, potrebbe eventualmente offrire un nuovo metodo per produrre in modo efficiente piccoli circuiti in cui ogni transistor è una singola molecola.

Mentre ricercatori come Keren reclutano biomolecole per aiutare a fabbricare l'elettronica, Mayank Bulsara si attiene al silicio tradizionale, ma lo manipola in modi nuovi. Bulsara, cofondatore e chief technology officer di AmberWave Systems di Salem, NH, sta sviluppando una nuova forma di silicio che promette di rendere i chip dei computer più veloci del 20% riducendo il consumo energetico dal 30 al 40%. La chiave è allungare un cristallo di silicio separando i suoi atomi di pochi millesimi di nanometro, come un elastico, dice Bulsara. Questo allungamento altera le proprietà del materiale in modo che gli elettroni che lo attraversano abbiano meno probabilità di scontrarsi con atomi di silicio, disperdersi e rallentare. Bulsara spera di avere chip contenenti il ​​silicio allungato sul mercato in grandi quantità entro la fine del prossimo anno.

Il TR100 di quest'anno sta appena iniziando a dimostrare i risultati delle incursioni della nanotecnologia in nuovi entusiasmanti territori, ma portare il loro lavoro nel mondo reale pone i suoi problemi. La sfida più grande è trovare modi per produrre nanomateriali su aree sufficientemente grandi, afferma Bulovic. Ma quando questa sfida sarà finalmente vinta, non sorprenderti se gli astri nascenti di cui leggerai nelle prossime pagine sono stati tra quelli che hanno contribuito a indicare la strada.

TR100 Startup in Nanotech+
Innovatore	Società fondata/cofondata	Tecnologia/pietre miliari
Marcel Bruchez	Punto quantico (Hayward, California)	Nanocristalli fluorescenti in materiale semiconduttore per etichettatura biologica e diagnostica; più di 1.000 clienti
Mayank Bulsara	Sistemi AmberWave (Salem, NH)	Silicio teso per dispositivi basati su semiconduttori più veloci e meno affamati di energia; i prodotti contenenti la tecnologia potrebbero essere ampiamente disponibili entro la fine del 2005
Leroy ohlsen	Neah Power Systems (Bothell, WA)	Celle a combustibile a base di silicio per laptop e altri dispositivi elettronici portatili; il primo prodotto potrebbe essere sul mercato nel 2006

Profili Nanotech

Marcel Bruchez
Età: 31 | Cofondatore e principale scienziato del personale | Punto Quantico
Sei anni fa, Marcel Bruchez, allora studente laureato presso l'Università della California, Berkeley, dimostrò che i punti quantici – particelle luminose larghe solo pochi nanometri – potevano essere usati per etichettare le proteine ​​all'interno delle cellule. In pochi mesi, Bruchez aveva co-fondato Quantum Dot per commercializzare il nuovo strumento di imaging a biologi e sviluppatori di farmaci che cercavano un quadro più dettagliato degli eventi molecolari. È una delle prime applicazioni commerciali della nanotecnologia, afferma Bruchez.

Yi Cui
Età: 28 | Assegnista di ricerca | Università della California, Berkeley
Mentre alcuni ricercatori nel campo delle nanotecnologie creano gli elementi costitutivi di base di nuovi materiali, altri, come Yi Cui, svolgono ruoli ugualmente importanti nel mettere insieme quei blocchi e nel compiere i passi successivi verso applicazioni pratiche. La capacità di Cui di controllare finemente l'assemblaggio di nanomattoni ha portato a nuovi dispositivi che potrebbero finire in chip per lo screening del cancro, computer quantistici e celle solari.

Come studente di dottorato in chimica all'Università di Harvard, Cui ha svolto un lavoro pionieristico sui nanofili, utilizzando una combinazione di laser e vapori chimici per indurre il silicio a formare minuscoli fili che non solo conducevano elettroni ma potevano anche accendere e spegnere una corrente come un transistor. Cui ha persino fabbricato nanofili la cui commutazione dipendeva dalla presenza di proteine ​​specifiche, in modo che potessero fungere da biosensori ultrasensibili nei test per i primi segni di cancro alla prostata.

A Berkeley, Cui ha continuato a padroneggiare l'arte di costruire dispositivi funzionali su scala nanometrica. Più di recente, ha trovato il modo di collegare insieme con precisione nuovi tipi di nanomattoni chiamati nanotetrapodi: punti di materiale larghi pochi nanometri, ciascuno con quattro nanobarre che si irradiano in direzioni diverse. Mentre altri ricercatori hanno precedentemente realizzato nanotetrapodi, Cui può collegarne molti insieme per creare una rete di circuiti e controllare con precisione le loro proprietà elettriche. Possiamo fare in modo che i nanotetrapodi si autoassemblano in qualsiasi schema di cui abbiamo bisogno, inclusi array di transistor, afferma Cui. A causa delle loro piccole dimensioni, questi circuiti potrebbero in teoria essere molte volte più veloci dei circuiti dei chip dei computer odierni.

Organizzando i nanotetrapodi in reti ramificate, Cui li ha trasformati da un ingrediente grezzo in qualcosa che potrebbe essere integrato in dispositivi reali, come le celle solari. E poiché i nanotetrapodi sono abbastanza piccoli da registrare la presenza di singoli elettroni, potrebbero persino sfruttare le strane proprietà quantistiche delle particelle subatomiche, formando la base per nuovi tipi di computer che funzioneranno migliaia di volte più velocemente delle macchine più veloci di oggi. Sebbene tale applicazione sia lontana molti anni, Cui ha già dimostrato la possibilità di costruire nuove strutture utilizzando gli ingredienti di base della nanotecnologia.

Leroy ohlsen
Età: 30 | Fondatore e chief technology officer | Neah Power Systems
Le celle a combustibile che funzionano a metanolo possono alimentare telefoni cellulari e laptop, ma sono costose e non molto potenti. Leroy Ohlsen, fondatore di Neah Power Systems di Bothell, WA, ha sostituito le membrane di plastica delle cellule, che strappano gli elettroni dal metanolo per produrre elettricità, con silicio poroso. Non solo il silicio ci dà più potenza, dice Ohlsen, ma potrebbe anche ridurre i costi di produzione. Aspettatevi le prime celle a combustibile dell'azienda nel 2006.

Molly Stevens
Età: 30 | Docente | Imperial College di Londra
La scienziata dei materiali Molly Stevens crede che quando si tratta di percepire i cambiamenti nell'ambiente, niente batte i sistemi biologici. Ecco perché si sta rivolgendo alle molecole biologiche per creare nanomateriali intelligenti che potrebbero portare a nuovi dispositivi di rilevamento e somministrazione di farmaci impiantabili.

Tali dispositivi rileverebbero rapidamente i cambiamenti fisiologici nel corpo, come un aumento del colesterolo, e risponderebbero rilasciando la dose appropriata di un farmaco immagazzinato. Questa è la visione, almeno. Ma realizzarlo richiederà nuovi tipi di materiali che si comportano diversamente in diverse condizioni chimiche.

La Stevens ha recentemente dimostrato di poter controllare il comportamento delle nanoparticelle d'oro modificando il pH della soluzione in cui sono sospese. Ha attaccato le particelle a molecole di peptidi appositamente progettate che, nelle giuste condizioni di pH, interagiscono tra loro per tirare le particelle insieme in una struttura organizzata. Un cambiamento nel pH altera la forma dei peptidi in modo che si respingano l'un l'altro e le particelle si disperdano. Stiamo prendendo il meglio della creatività della natura e lo usiamo per noi stessi, afferma Stevens.

L'esperimento mostra che è possibile creare materiali che si rimodellano automaticamente in risposta ai cambiamenti chimici nel corpo. Un tale materiale potrebbe produrre dispositivi impiantabili per la somministrazione di farmaci che fungono da sensori biologici propri.

Stevens sta sfruttando la versatilità dei peptidi per la prossima fase del suo lavoro. Ora sta progettando i peptidi in modo che cambino forma in modi più sottili e vari. Un dispositivo di somministrazione di farmaci realizzato utilizzando tali peptidi sarebbe più sensibile ai cambiamenti fisiologici e potrebbe offrire un maggiore controllo su una moltitudine di diversi dosaggi di farmaci. Se il suo nuovo progetto avrà successo, la Stevens avrà avuto un ruolo determinante nel rendere non solo i nanomateriali, ma anche la somministrazione di farmaci, molto più intelligente.

Vladimir Bulovic
Età: 34
Professore associato, MIT
Utilizza semiconduttori organici e nanostrutturati in dispositivi come diodi emettitori di luce, laser, fotorivelatori e sensori chimici. Le start-up hanno concesso in licenza molti dei suoi 30 brevetti statunitensi.

Mayank Bulsara
Età: 32
Cofondatore e CTO, AmberWave Systems
Ha co-fondato Salem, con sede a NH, AmberWave per sviluppare silicio deformato, una forma avanzata di silicio che rende i chip dei computer più veloci e consumano meno energia.

Dustin Carr
Età: 34
Membro principale dello staff tecnico, Laboratori Nazionali Sandia
Crea dispositivi in ​​silicio su scala nanometrica in grado di rilevare movimenti su scala subatomica. I nanorivelatori potrebbero essere utilizzati, ad esempio, in accelerometri ultraprecisi per la navigazione in aereo.

Martin Culpepper
Età: 32
Professore assistente, MIT
Costruisce le macchine necessarie per realizzare una nanofabbricazione di alta qualità ea basso costo. I suoi nanomanipolatori sono più flessibili e offrono prestazioni più elevate rispetto alle versioni esistenti, a un ventesimo del costo.

La gioia di Delmau
Età: 33
Membro del personale di ricerca, Oak Ridge National Laboratory
Ha aiutato a risolvere problemi fondamentali nel trattamento delle scorie nucleari che hanno portato a un processo economico per ripulire più di 100.000 metri cubi di scorie radioattive presso il Savannah River Site nella Carolina del Sud, che gestisce le scorte nucleari degli Stati Uniti.

Martha Gardner
Età: 33
Statistico, General Electric
Creazione di modelli statistici e software di progettazione per rendere più efficiente lo sviluppo dei materiali. Utilizzando i suoi metodi, gli ingegneri hanno ridotto i tempi di sviluppo del prodotto del 90%.

Verena Graf
Età: 32
Ingegnere, DaimlerChrysler
Sviluppa celle a combustibile pratiche per alimentare le auto: sono robuste, si avviano rapidamente e hanno un'eccellente densità di potenza, indipendentemente dalle condizioni atmosferiche.

Yu Han
Età: 27
Assegnista di ricerca, Institute of Bioengineering and Nanotechnology (Singapore)
Particelle su scala nanometrica sintetizzate con pori minuscoli e definiti con precisione. I suoi materiali possono essere utilizzati per la somministrazione controllata di farmaci o per la terapia genica.

Stefan Hecht
Età: 30
Professore assistente, Libera Università di Berlino
Ha ideato una nuova classe di nanotubi polimerici e altri elementi costitutivi molecolari. Questi nuovi materiali hanno potenziali applicazioni nella fabbricazione di dispositivi elettronici di dimensioni nanometriche.

Darrell Irvine
Età: 31
Professore assistente, MIT
Crea nanoparticelle che rilascerebbero sostanze chimiche all'interno del corpo per programmare le cellule immunitarie per combattere le infezioni virali come l'HIV, per tollerare i trapianti o persino per distruggere i tumori maligni.

Rustem Ismagilov
Età: 31
Professore assistente, Università di Chicago
Sviluppa tecnologie di microfluidica che utilizzano minuscole goccioline per caratterizzare la funzione e la struttura delle proteine ​​e per modellare processi biochimici complessi. I modelli microfluidici dovrebbero fornire informazioni pertinenti alla scoperta di farmaci e alla progettazione di dispositivi medici.

Albena Ivanisevic
Età: 29
Professore assistente, Purdue University
Utilizza punte microscopiche per depositare modelli precisi di peptidi direttamente sui tessuti del corpo. La sua tecnica, che sta testando negli occhi dei maiali, potrebbe aiutare a curare o addirittura curare la cecità.

Ravi Kane
Età: 32
Professore assistente, Rensselaer Polytechnic Institute
Ha creato un trattamento contro l'antrace molto potente in cui ogni molecola di farmaco blocca più molecole di tossina invece di una sola. Sta estendendo il concetto alle terapie anti-HIV.

Kinneret Keren
Età: 32
Borsista post-dottorato, Stanford University Medical School
Sfrutta l'autoassemblaggio basato sulla biologia per costruire l'elettronica molecolare. Ha creato un dispositivo elettronico molecolare autoassemblato, un transistor a nanotubi di carbonio, utilizzando un modello di DNA.

Jamie Link
Età: 26
Studente di dottorato, Università della California, San Diego
Codici a barre ottici incisi in pezzi di silicio di dimensioni micrometriche. Spera di utilizzare la tecnologia per rilevare gli inquinanti nell'acqua o le cellule cancerose all'interno del corpo.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Età: 30
Professore assistente, Università del Texas ad Austin
Ha inventato la stampa a trasferimento nanometrico, una tecnica rispettosa dell'ambiente per modellare caratteristiche su scala nanometrica su componenti elettronici organici e circuiti di plastica. Questo schema di nanomodelli potrebbe essere utilizzato per realizzare display flessibili di ampia area e celle solari economiche, e potrebbe consentire nuove terapie mediche e diagnostica.

Tyler McQuade
Età: 33
Professore assistente, Cornell University
Crea catalizzatori per ridurre il numero di passaggi necessari per sintetizzare i farmaci, diminuendo i sottoprodotti pericolosi per l'ambiente. Spera che un sistema porti la produzione del Prozac, un farmaco antidepressivo più venduto, da quattro passaggi a uno solo.

Teri Odom
Età: 30
Professore assistente,
Northwestern University
Silicio modellato per creare minuscoli bicchieri che contengono solo zeptolitri (i nanopozzetti di silicio sono larghi solo 50 nanometri), ideali per far crescere singole nanoparticelle di dimensioni specifiche e uniformi. Tale ultraprecisione consente di adattare le particelle a usi specializzati, come, ad esempio, sensori chimici ultrasensibili.

Erik Scher
Età: 28
Scienziato di ricerca e sviluppo, Nanosys
Funziona su nanomateriali semiconduttori inorganici che stanno aiutando Nanosys con sede a Palo Alto, California, a sviluppare celle solari flessibili e economiche. Il partner di Nanosys, Matsushita, prevede di incorporare le nano celle solari nei materiali da costruzione.

Michael Strano
Età: 28
Professore assistente, Università dell'Illinois, Urbana-Champaign
È arrivato a una nuova comprensione della chimica della superficie dei nanotubi di carbonio che consente di ordinare i nanotubi di carbonio in base alle loro proprietà semiconduttive, metalliche o isolanti. Questo rompe il principale ostacolo che ha impedito l'uso dei nanotubi nei dispositivi.

William Taylor
Età: 32
Direttore tecnico, ArvinMeritor
Guida gli sforzi per commercializzare il plasmatron, un dispositivo di controllo dell'inquinamento che converte il carburante diesel in idrogeno, riducendo le emissioni di ossido di azoto fino al 90%.

Tsuyoshi Yamamoto
Età: 31
Ricercatore, NEC
Ha dimostrato la prima porta logica a due qubit in un dispositivo a stato solido, un progresso cruciale per la costruzione di un computer quantistico ultraveloce.

Shu Yang
Età: 33
Professore assistente, Università della Pennsylvania
Progetta dispositivi fotonici intelligenti per computer e reti di comunicazione velocissimi. Mentre era ai Bell Labs, ha sviluppato una microlente liquida che può essere focalizzata elettronicamente in millisecondi per dirigere i segnali luminosi all'interno delle fibre ottiche.

Yuankai Zheng
Età: 34
Ricercatore, Data Storage Institute (Singapore)
Semplificata la produzione di RAM magnetica, rendendo questa forma di memoria del computer veloce e non volatile più economica e pratica. Un chip di RAM magnetica delle dimensioni di una miniatura potrebbe memorizzare 32 gigabyte di dati.

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