Fra flaskeraketter til bionisk spinat

Michael Strano startede brintdrevne raketter som barn. I dag udvikler hans laboratorium nanosensorer, bioniske planter, istråde i nanoskala og en helt ny energikilde.22. februar 2017

For et kemisk ingeniørlaboratorium har Michael Stranos arbejdsområde en usædvanlig vifte af grønt: spinat, brøndkarse og rucola. Strano har introduceret nanopartikler i planterne ved hjælp af deres blade for at give dem nye muligheder. Du vil ikke spise dem, siger han og peger på det frodige salatgrønt. Denne er designet til at lyse som en skrivebordslampe, og den forsøger at tale med din mobiltelefon. Han har også skabt spinatplanter, der er i stand til at fornemme sprængstoffer i jorden og overføre denne information til en fjernobservatør.

Strano har længe arbejdet med kulstof nanorør og været banebrydende for deres brug som sensorer i planter såvel som i mennesker og dyr. Han har også brugt nanopartikler til at forbedre planters evner, og skabt enheder, der ser ud til at være på grænsen til science fiction, som plante-som-bord-lampen. Undervejs har han opdaget, hvordan nanorør kan tjene som en helt ny energikilde. Hans arbejde spænder over termodynamik, materialevidenskab, nanoteknologi og nu plantebiologi - et sammenløb af interesser, der forbliver sjældent i de øvre dele af den akademiske verden.



Vi har flere økosystemer i gang i dette laboratorium, siger Mike Lee, en Strano-studerende, der arbejder med sensorer i fisk. Han er sådan en passioneret fyr, og der er så meget at lære.

Baggårdskemi
Stranos historie med kreativ risikotagning begyndte tidligt. Da han voksede op i Pennsylvania, pillede han med kemi og elektronik. Hans far, der startede som elektriker for Bell Telephone i Philadelphia, flyttede senere familien ud af byen for at starte en lydelektronikbutik. I en alder af 10 eller 11 fandt Strano ud af, hvordan man elektrolyserede saltvand ved at lede en strøm igennem det for at frigive brintgas, som han opbevarede i glasflasker i fryseren. Da hans ældre bror, John, stillede spørgsmålstegn ved, om han i virkeligheden havde fanget brint, viste Strano, at ved at føre en opvarmet ledning gennem hætten for at antænde gassen, kunne han skyde en Snapple-flaske 100 fod op i luften. Herefter var alle rædselsslagne, fortæller han. Men for mig var det næsten som magi. Jeg kunne tage denne klare gas og forbløffe folk.

Da Strano var 12, døde hans far pludselig af et hjerteanfald og efterlod sin mor med fem børn (Strano var den næstældste). Vi kæmpede, siger han. Og videnskaben var et produktivt udløb for alt det. I 1993 blev han det første medlem af sin familie, der gik på college-Brooklyn Polytechnic, hvor han fokuserede på kemiteknik. Han tilskriver skolen et stærkt matematisk og analytisk grundlag. Det var den slags sted, der lagde vægt på undervisning og holdt eleverne til strenge standarder: Hele klassen får måske ikke noget højere end et B, siger han.

Ingeniører er ikke blevet uddannet til at se på planter som udgangspunktet for teknologi.

I 1997 begyndte Strano en ph.d. ved University of Delaware, hvor han arbejdede på at lave porøse kulstofmembraner, der kunne lette kemiske reaktioner. Han arbejdede også på et projekt, sponsoreret af DuPont, hvortil han designede en membran, der kunne adskille nitrogen og ilt fra trykluft. Mens stort set alle hans ph.d.-kolleger gik videre til job i industrien, besluttede Strano sig for at forfølge en karriere i den akademiske verden og gik videre til et postdoc-stipendium ved Rice University i Houston.

På Rice sluttede Strano sig til laboratoriet hos Richard Smalley, en kemiker, der havde vundet Nobelprisen for sit arbejde med en form for kulstof kaldet buckyballs. Jeg var den eneste postdoc i laboratoriet, husker Strano og forklarede, at Smalley, notorisk krævende, på en måde havde jaget alle de andre postdocs væk. Alligevel formåede han at trives under Smalley, der skinnede lasere mod nanopartikler for at lære om deres lysemitterende egenskaber. Især fokuserede han på partikler, der udsender lys i den nær-infrarøde del af spektret. Denne egenskab slog ham som betydningsfuld, fordi den menneskelige krop er gennemsigtig for nær-infrarødt lys.

Da han blev assisterende professor ved University of Illinois i Urbana-Champaign i 2006, besluttede Strano sig for at undersøge, om han kunne introducere disse nanopartikler i kroppen, hvor de kunne fungere som sensorer, der binder sig til molekyler og overfører information gennem huden. af fluorescens. Da han indrettede sit nye laboratorium, helligede han sig denne vision. Dengang var det en off-the-wall idé, siger han og bemærker, at der ikke var blevet arbejdet meget med, om nanopartikler kunne fungere effektivt som sensorer - eller endda om de ville være sikre. (En tidlig skeptisk anmelder sammenlignede ideen om at udvikle sådanne nanosensorer med at sætte en dåseåbner i menneskekroppen.) Stranos tilgang var at tage kulstofnanopartikler og belægge dem med en polymer, der kunne binde sig til glukose og reagere på forskellige sukkerkoncentrationer. Når en ekstern enhed båret af patienten skinnede lys gennem huden, fik det nanopartiklerne til at fluorescere, med signaturer, der varierede i henhold til disse glukosekoncentrationer. (Han udførte også dyreforsøg for at vise, at nanopartiklerne virkede sikre.) Strano fokuserede tidligt på glukose, fordi han troede, at implanterbare sensorer ville hjælpe mennesker med diabetes, som hans kones nevø. Hans kortsigtede mål var at eliminere behovet for, at de ofte skulle holde sig til at måle blodsukkeret. Men det ultimative mål er at udvikle en kunstig bugspytkirtel, der kan måle blodsukkeret og levere insulin i realtid.

I 2007 blev Strano rekrutteret til MIT, hvor han fik ansættelse på kun to år. Han fortsatte arbejdet med nanosensorer, og i 2009 viste han, at kulstofnanorør indsprøjtet under huden som en slags tatovering kunne bruges til at måle blodsukkerniveauet. Med tiden udviklede han også et væld af andre sensorer. Teknologien opdagede sådanne molekyler som fibrinogen, som er vigtigt for blodkoagulationen, og nitrogenoxid, der fungerer som et centralt signalmolekyle i det kardiovaskulære system og andre steder. Han arbejdede også på at øge sine sensorers følsomhed. I en avis i år i Natur nanoteknologi , afslørede han sensorer, der kunne identificere enkelte proteinmolekyler.

TERMOKRAFT
Tidligt i sin tid på MIT opdagede Strano også en ny mekanisme til energiproduktion - helt ved et uheld. I 2008 var han begyndt at arbejde på et projekt, finansieret af United States Air Force, for at udvikle nye aktuatorer, der ville reagere hurtigt på en kemisk udløser. Som en del af arbejdet placerede han det eksplosive TNT rundt om overfladen af ​​kulstofnanorør for at observere den hastighed, hvormed det antændte i det miljø. Da han foretog målingerne, bemærkede han dog, at reaktionen også producerede en stor og uventet elektrisk puls. Med andre ord syntes reaktionen af ​​TNT på overfladen af ​​et kulstofnanorør at omdanne varme fra reaktionen til elektricitet, hvilket genererede strømudbrud meget større end videnskabelig teori på det tidspunkt forudsagde.

Strano var den første til at observere dette fænomen, som han døbte termokraftbølgen. Det var en ny og spændende idé til at omdanne en flygtig kemisk reaktion til en elektricitetsimpuls med meget høj effekt, siger Kourosh Kalantar-Zadeh, direktør for Center for Advanced Electronics and Sensors ved RMIT University i Australien. Ud over den teoretiske interesse, det havde for kemikere, har opdagelsen åbnet døren til nye strømkilder. I nogle sammenhænge vil forskere eller forbrugere måske have kilder, der er i stand til at levere store mængder strøm over korte perioder. Termokraftbølger ville gøre dette muligt, og de kunne i teorien forblive ubrugte i ubestemte perioder uden at miste energi. Fordi de er afhængige af kemiske bindinger til opbevaring, ville strømkilder, der bruger denne mekanisme, være mere som brændstof i en benzintank end for eksempel et lithium-ion-mobiltelefonbatteri, der langsomt aflades og går dødt, siger Strano. For nylig har han også vist, at termokraftbølger kan genereres uden brug af sprængstoffer eller høje temperaturer. Helt konkret har han anbragt acetonitril på nanorør og ladet det fordampe; den kemiske forandring, viser det sig, er nok til at generere den elektriske strøm. Strano og andre rundt om i verden er begyndt at eksperimentere med simple enheder, der kan gøre brug af termokraftbølger, men han siger, at applikationerne forbliver i de tidlige stadier.

Stranos laboratorium har infunderet nanopartikler i spinat og rucola frøplanter, hvilket skaber planter, der fornemmer kemikalier eller udsender lys.

BIONISKE PLANTER
Strano vendte først sin fantastiske fantasi til plantebiologi i 2009. I begyndelsen, siger han, troede han, at planters bemærkelsesværdige evne til at regenerere nøgleproteiner kunne inspirere til løsninger på et problem inden for solenergi: eksponering for sollys nedbryder gradvist mange materialer, der bruges til at fange solens energi. I 2010 udviklede Stranos team et sæt syntetiske molekyler, der, holdt i en opløsning, spontant kan samle sig selv til en fotovoltaisk struktur; cellen nedbrydes, når et overfladeaktivt stof tilsættes opløsningen, men samler sig hurtigt igen, når det overfladeaktive stof er filtreret fra. Kort efter begyndte han at fokusere på planters andre fysiologiske evner: for eksempel producerer de deres egen strøm, pumper deres eget vand og forbruger mere kuldioxid, end de producerer. Inden for mit felt er ingeniører ikke blevet uddannet til at se på planter som udgangspunktet for teknologi, siger Strano. Men han begyndte at tænke på dem som mikrofluidiske netværk, der har en mekanisme til at transportere væsker internt, mens deres kloroplaster, de strukturer, hvor fotosyntesen finder sted, kan sammenlignes med kemiske batterier. Man kan sammensætte et forenklet perspektiv på planter, som har stor appel til ingeniører som mig, siger han.

I 2011 ansatte Strano biolog Juan Pablo Giraldo som postdoc. Giraldo, som nu er assisterende professor ved University of California i Riverside, siger, at han følte sig energisk til at hjælpe med at fusionere nanomaterialernes verden og det levende organiske. I et papir fra 2014 i Naturmaterialer , viste holdet, at planter ville optage kulstofnanopartikler gennem porer på undersiden af ​​deres blade, kaldet stomata - og at disse partikler derefter ville trænge ind i planternes kloroplaster. Efter denne opdagelse introducerede forskerne nanopartikler, der gjorde det muligt for blade at absorbere bølgelængder af lys, som planter normalt ikke gør brug af, hvilket effektivt udvidede deres fotosynteseområde. Forskerne leverede også partikler, der fungerer som antioxidanter og dermed beskytter kloroplasterne mod skader forårsaget af intensiv udsættelse for sollys. Som et resultat var de i stand til at booste planternes fotosyntetiske potentiale med 30 procent. Denne opdagelse kan teoretisk bruges til at hjælpe planter med at vokse bedre i miljøer med høj tæthed, hvor de modtager begrænset lys i det synlige område og kan drage fordel af evnen til at udnytte andre bølgelængder.

I samme papir viste Strano, Giraldo og deres kolleger også, at de kunne omdanne planter til sensorer for nitrogenoxid, et forurenende stof, der bidrager til sur regn. Forskerne gjorde dette ved at pakke nanopartikler ind i polymerer, der kunne interagere selektivt med nitrogenoxid og derefter indføre disse partikler i planter. Når nitrogenoxid var til stede, ændrede det den måde, de underliggende nanopartikler udsendte lys på. I 2016 forvandlede Stranos gruppe spinatblade til sensorer for nitroaromatiske forbindelser, en type sprængstof, ved at inkorporere kulstofnanorør belagt med selektive polymerer i bladene. I teorien, hvis nitroaromater var til stede i grundvandet, kunne planterne opdage dem - og sende en meddelelse til en enhed i nærheden, såsom et infrarødt kamera forbundet til en lille computer, eller endda en mobiltelefon uden et infrarødt filter. (Den praktiske relevans af dette system er ikke helt klar, men det foreslår en tilgang til at opdage landminer eller forurenende stoffer i grundvandet.)

Strano siger, at dette plantearbejde er særligt glædeligt at diskutere med sine døtre, som er 11, ni, syv og fire år. Bioniske planter - nu er det faktisk en samtale, du kan have med en syv-årig, siger han. Strano og hans familie bor i Lexington, Massachusetts, som har fremragende offentlige skoler; men da hans ældste datter var gammel nok til førskole, har han og hans kone, Sally, en tidligere matematiker, valgt at hjemmeundervise børnene i stedet for. De tilhører et hjemmeundervisningsselskab, som mødes en gang om ugen og giver en vis struktur, men meget af deres tilgang er frihjul (med undtagelse af matematik, som Strano siger kræver daglige øvelser). Pigerne bruger lange timer på biblioteket og læser selvstændigt. To af dem fulgte for nylig med deres far på en rejse til Japan, hvor de lærte om japansk kultur og nogle få ord i sproget.

Selvfølgelig er Strano især begejstret for at lære børnene naturvidenskab. Jeg tager mit mandat seriøst, siger han. Jeg har fire piger, og jeg kan ikke garantere, at de alle vil gå i STEM, men det går den vej. Han og hans kone opmuntrer børnene til at designe eksperimenter og forfølge de områder, der interesserer dem. Den 11-årige, der kan lide slibning og kunsthåndværk, lavede et projekt om, hvordan majsstivelsesbaseret slim glider ned ad et skråplan. Den ni-årige, der elsker fugle, brugte et time-lapse-kamera til at studere, hvilke arter der fodrede sammen ved en fuglefoder. Pigerne besøger også jævnligt Stranos laboratorium, hvor de har et førstehåndssyn til deres fars projekter.

Blandt de mere legende sysler, der er på vej i laboratoriet, er elektroniske enheder lavet af planter. Strano og hans elever fokuserer især på fjernbetjeninger, som normalt kommunikerer ved hjælp af infrarød energi. Ved at modificere planter med nanopartikler, så de frigiver infrarød energi på cue - som svar for eksempel på en forbrugers ønske om at tænde for tv'et - kan forskerne muligvis sætte planter i stand til at tjene den samme funktion som disse gadgets. Vi tror, ​​vi kan erstatte nogle af de enheder, der i øjeblikket er stemplet ud af plastik, siger Strano og tilføjer, at målet er at skabe en grønnere klasse af elektronik. En udfordring ved at efterligne fjernbetjeninger er imidlertid, at deres signalering sker meget hurtigt, i størrelsesordenen millisekunder, og planter kan ikke lide at bevæge sig så hurtigt. (Man undrer sig også over skæbnen for plantebaseret elektronik, som kræver vand, når deres menneskelige ejere tager på ferie. Enhederne ville skulle vande sig selv, siger Strano.)

Mike Lee, som er kandidatstuderende på andet år, er ansvarlig for at holde et stort akvarium af guldfisk i kælderen i laboratoriet og udvikle nanopartikel-baserede sensorer, der kan sprøjtes ind i dem for at mærke deres koncentrationer af stresshormon eller kortisol. Projektet er et samarbejde med forskere ved King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabien, som planlægger at udsætte fisk i Det Røde Hav, analysere deres kortisolniveauer som reaktion på miljøforhold.

Senest gjorde Strano en overraskende opdagelse om opførsel af vandet selv inden for rammerne af kulstofnanorør. I et blad udgivet i Natur nanoteknologi i november viste han, at inde i et nanorør med en meget specifik diameter, ved temperaturer på op til mindst 105 °C, dannede vand et fast stof, meget som is. Når væske er i et begrænset miljø, bliver dens faseadfærd forvrænget, men dette er et ekstremt tilfælde, siger han. Forskere kunne muligvis skabe små ledninger lavet af fast vand, som ville være stabile ved stuetemperatur og ville lede protoner med høj effektivitet, som vand er kendt for at gøre. Dette kunne for eksempel vise sig at være nyttigt til at udvikle bedre brintbrændselsceller. Strano siger, at han er spændt på at udforske egenskaberne ved is nanotråde, men han tilføjer, at juryen er ude af, om de vil være til nogen nytte.

skjule