211service.com
Från flaskraketer till bionisk spenat
Michael Strano startade vätedrivna raketer som barn. Idag utvecklar hans labb nanosensorer, bioniska växter, istrådar i nanoskala och en helt ny energikälla. 22 februari 2017
För ett kemitekniskt labb har Michael Stranos arbetsyta en ovanlig mängd grönska: spenat, vattenkrasse och ruccola. Strano har introducerat nanopartiklar i växterna, genom deras löv, för att ge dem nya möjligheter. Du skulle inte vilja äta dem, säger han och pekar på de frodiga salladsgrönsakerna. Den här är designad för att lysa som en skrivbordslampa, och den försöker prata med din mobiltelefon. Han har också skapat spenatväxter som kan känna av sprängämnen i jorden och överföra den informationen till en avlägsen observatör.
Strano har länge arbetat med kolnanorör och banat väg för deras användning som sensorer i såväl växter som i människor och djur. Han har också använt nanopartiklar för att förbättra växternas kapacitet, skapa enheter som verkar gränsa till science fiction, som växt-som-bordslampan. Längs vägen har han upptäckt hur nanorör kan fungera som en helt ny energikälla. Hans arbete spänner över termodynamik, materialvetenskap, nanoteknik och nu växtbiologi – ett sammanflöde av intressen som förblir sällsynt i de övre delarna av den akademiska världen.
Vi har flera ekosystem på gång i det här labbet, säger Mike Lee, en Strano-student som arbetar med sensorer i fisk. Han är en så passionerad kille och det finns så mycket att lära.
Bakgårdskemi
Stranos historia av kreativt risktagande började tidigt. När han växte upp i Pennsylvania, pysslade han med kemi och elektronik. Hans far, som började som elektriker för Bell Telephone i Philadelphia, flyttade senare familjen ut ur staden för att starta en ljudelektronikbutik. Vid 10 eller 11 års ålder kom Strano på hur man elektrolyserar saltvatten, kör en ström genom det för att frigöra vätgas, som han förvarade i glasflaskor i frysen. När hans äldre bror, John, ifrågasatte om han faktiskt hade fångat väte, visade Strano att genom att föra in en uppvärmd tråd genom locket för att antända gasen, kunde han skjuta en Snapple-flaska 100 fot upp i luften. Efter det var alla livrädda, säger han. Men för mig var det nästan som magi. Jag kunde ta den här klara gasen och häpna folk.
När Strano var 12, dog hans far plötsligt i en hjärtattack och lämnade sin mamma med fem barn (Strano var den näst äldsta). Vi kämpade på, säger han. Och vetenskapen var ett produktivt utlopp för allt detta. 1993 blev han den första familjemedlemmen som gick på college-Brooklyn Polytechnic, där han fokuserade på kemiteknik. Han ger skolan en stark matematisk och analytisk grund. Det var den typen av plats som betonade undervisning och höll eleverna till strikta standarder: Hela klassen kanske inte fick något högre än ett B, säger han.
Ingenjörer har inte utbildats för att se på växter som utgångspunkten för teknik.
1997 började Strano en doktorsexamen vid University of Delaware och arbetade med att göra porösa kolmembran som kunde underlätta kemiska reaktioner. Han arbetade också med ett projekt, sponsrat av DuPont, för vilket han designade ett membran som kunde separera kväve och syre från trycksatt luft. Medan praktiskt taget alla hans doktorandkollegor gick vidare till jobb inom industrin, bestämde Strano sig för att göra karriär inom den akademiska världen och gick vidare till ett postdoktoralt stipendium vid Rice University i Houston.
På Rice gick Strano med i labbet av Richard Smalley, en kemist som vunnit Nobelpriset för sitt arbete med en form av kol som kallas buckyballs. Jag var den enda postdoktorn i labbet, minns Strano och förklarade att Smalley, notoriskt krävande, liksom jagat bort alla andra postdoktorer. Ändå lyckades han trivas under Smalley, lysande lasrar på nanopartiklar för att lära sig om deras ljusemitterande egenskaper. I synnerhet fokuserade han på partiklar som avger ljus i den nära-infraröda delen av spektrumet. Denna egenskap slog honom som betydelsefull eftersom människokroppen är genomskinlig för nära-infrarött ljus.
När han blev biträdande professor vid University of Illinois i Urbana-Champaign 2006, bestämde Strano sig för att undersöka om han kunde introducera dessa nanopartiklar i kroppen, där de kan fungera som sensorer, binda till molekyler och överföra information genom huden på sätt och vis. av fluorescens. När han satte upp sitt nya labb ägnade han sig åt den visionen. På den tiden var det en off-the-wall idé, säger han och noterar att lite arbete hade gjorts på om nanopartiklar kunde fungera effektivt som sensorer - eller till och med om de skulle vara säkra. (En skeptisk tidig recensent liknade idén att utveckla sådana nanosensorer med att sätta en burköppnare i människokroppen.) Stranos tillvägagångssätt var att ta kolnanopartiklar och belägga dem med en polymer som kunde binda till glukos och svara på olika sockerkoncentrationer. När en extern enhet som bärs av patienten lyste ljus genom huden fick det nanopartiklarna att fluorescera, med signaturer som varierade beroende på dessa glukoskoncentrationer. (Han genomförde också djurexperiment för att visa att nanopartiklarna verkade säkra.) Strano fokuserade tidigt på glukos eftersom han trodde att implanterbara sensorer skulle hjälpa människor med diabetes, som hans frus brorson. Hans kortsiktiga mål var att eliminera behovet för dem att hålla sig ofta för att mäta blodsockret. Men det slutliga målet är att utveckla en konstgjord bukspottkörtel som kan mäta blodsockret och leverera insulin i realtid.
2007 rekryterades Strano till MIT, där han fick anställning på bara två år. Han fortsatte arbetet med nanosensorer och 2009 visade han att kolnanorör injicerade under huden som en slags tatuering kunde användas för att mäta blodsockernivåer. Med tiden utvecklade han en mängd andra sensorer också. Tekniken upptäckte sådana molekyler som fibrinogen, som är viktigt för blodets koagulering, och kväveoxid, som fungerar som en nyckelsignalmolekyl i det kardiovaskulära systemet och på andra håll. Han arbetade också för att öka sina sensorers känslighet. I en tidning i år i Naturens nanoteknik , avtäckte han sensorer som kunde identifiera enstaka proteinmolekyler.
TERMOKRAFT
Tidigt under sin tid på MIT upptäckte Strano också en ny mekanism för energigenerering - helt av en slump. 2008 hade han börjat arbeta på ett projekt, finansierat av United States Air Force, för att utveckla nya ställdon som skulle reagera snabbt på en kemisk trigger. Som en del av arbetet placerade han det explosiva TNT runt ytan av kolnanorör för att observera hastigheten med vilken den antändes i den miljön. När han gjorde mätningarna märkte han dock att reaktionen också producerade en stor och oväntad elektrisk puls. Med andra ord verkade reaktionen av TNT på ytan av ett kolnanorör omvandla värme från reaktionen till elektricitet, vilket genererade kraftutbrott mycket större än vad vetenskaplig teori vid den tidpunkten förutspådde.
Strano var den första att observera detta fenomen, som han kallade termokraftvågen. Det var en ny och spännande idé för att omvandla en flyktig kemisk reaktion till en elektricitetspuls med mycket hög effekt, säger Kourosh Kalantar-Zadeh, chef för Center for Advanced Electronics and Sensors vid RMIT University i Australien. Utöver det teoretiska intresset för kemister, har upptäckten öppnat dörren till nya kraftkällor. I vissa sammanhang kan forskare eller konsumenter vilja ha källor som kan ge stora mängder kraft under korta tidsperioder. Termokraftvågor skulle göra detta möjligt, och de skulle i teorin kunna förbli oanvända under obestämda perioder utan att förlora energi. Eftersom de förlitar sig på kemiska bindningar för lagring, skulle kraftkällor som använder denna mekanism vara mer som bränsle i en bensintank än, säg, ett litiumjonbatteri som långsamt laddas ur och dör, säger Strano. Nyligen har han också visat att termokraftvågor kan genereras utan användning av explosiva ämnen eller höga temperaturer. Specifikt har han placerat acetonitril på nanorör och låtit det avdunsta; den kemiska förändringen, visar det sig, är tillräckligt för att generera den elektriska strömmen. Strano och andra runt om i världen har börjat experimentera med enkla enheter som kan använda termokraftvågor, men han säger att applikationerna förblir i tidiga skeden.
Stranos labb har infunderat nanopartiklar i spenat- och ruccolaplantor, vilket skapar växter som känner av kemikalier eller avger ljus.
BIONISKA VÄXTER
Strano vände först sin fantastiska fantasi till växtbiologi 2009. Till en början, säger han, trodde han att växters anmärkningsvärda förmåga att regenerera nyckelproteiner kunde inspirera till lösningar på ett problem inom solenergi: exponering för solljus försämrar gradvis många material som används för att fånga solens energi. 2010 utvecklade Stranos team en uppsättning syntetiska molekyler som, hållna i en lösning, spontant kan sätta ihop sig själva till en solcellsstruktur; cellen bryts ner när ett ytaktivt ämne läggs till lösningen men sätts snabbt ihop sig själv när det ytaktiva ämnet har filtrerats bort. Kort därefter började han fokusera på växters andra fysiologiska förmågor: de producerar till exempel sin egen kraft, pumpar sitt eget vatten och förbrukar mer koldioxid än de producerar. Inom mitt område har ingenjörer inte utbildats för att se på växter som utgångspunkten för teknik, säger Strano. Men han började tänka på dem som mikrofluidiska nätverk som har en mekanism för att transportera vätskor internt, medan deras kloroplaster, strukturerna där fotosyntes äger rum, kan liknas vid kemiska batterier. Man kan sätta ihop ett förenklat perspektiv på växter som tilltalar ingenjörer som mig, säger han.
2011 anställde Strano biologen Juan Pablo Giraldo som postdoktor. Giraldo, som nu är biträdande professor vid University of California i Riverside, säger att han kände sig energisk att hjälpa till att slå samman världarna av nanomaterial och det levande organiska. I en tidning från 2014 i Naturmaterial , visade teamet att växter skulle ta upp kolnanopartiklar genom porer på undersidan av deras blad, kallade stomata - och att dessa partiklar sedan skulle komma in i växternas kloroplaster. Efter denna upptäckt introducerade forskarna nanopartiklar som gjorde att bladen kunde absorbera våglängder av ljus som växter normalt inte använder sig av, vilket effektivt utökade deras fotosyntetiska område. Forskarna levererade också partiklar som fungerar som antioxidanter och på så sätt skyddar kloroplasterna från skador orsakade av intensiv exponering för solljus. Som ett resultat kunde de öka växternas fotosyntetiska potential med 30 procent. Detta fynd skulle teoretiskt kunna användas för att hjälpa växter att växa bättre i högdensitetsmiljöer, där de får begränsat ljus i det synliga området och kan dra nytta av förmågan att utnyttja andra våglängder.
I samma tidning visade Strano, Giraldo och deras kollegor också att de kunde förvandla växter till sensorer för kväveoxid, en förorening som bidrar till surt regn. Forskarna gjorde detta genom att slå in nanopartiklar i polymerer som kunde interagera selektivt med kväveoxid och sedan introducera dessa partiklar i växter. När kväveoxid var närvarande, förändrade det hur de underliggande nanopartiklarna avgav ljus. 2016 gjorde Stranos grupp spenatblad till sensorer för nitroaromatiska föreningar, en typ av sprängämne, genom att inkorporera kolnanorör belagda med selektiva polymerer i bladen. I teorin, om nitroaromater fanns i grundvattnet, kunde växterna upptäcka dem - och skicka ett meddelande till en närliggande enhet som en infraröd kamera ansluten till en liten dator, eller till och med en mobiltelefon utan infrarött filter. (Den praktiska relevansen av detta system är inte helt klart, men det föreslår ett tillvägagångssätt för att upptäcka landminor eller föroreningar i grundvatten.)
Strano säger att detta växtarbete är särskilt glädjande att diskutera med sina döttrar, som är 11, nio, sju och fyra år gamla. Bioniska växter – nu är det faktiskt en konversation du kan ha med en sjuåring, säger han. Strano och hans familj bor i Lexington, Massachusetts, som har utmärkta offentliga skolor; men eftersom hans äldsta dotter var gammal nog för förskola, har han och hans fru, Sally, en före detta matematiker, valt att hemundervisa barnen istället. De tillhör ett hemundervisningskooperativ, som träffas en gång i veckan och ger lite struktur, men mycket av deras tillvägagångssätt är frihjuling (med undantag för matematik, som Strano säger kräver dagliga övningar). Flickorna tillbringar långa timmar på biblioteket och läser självständigt. Två av dem följde nyligen med sin pappa på en resa till Japan, där de lärde sig om japansk kultur och några ord i språket.
Naturligtvis är Strano särskilt glada över att lära barnen naturvetenskap. Jag tar mitt mandat på allvar, säger han. Jag har fyra tjejer, och jag kan inte garantera att de alla kommer att gå in i STEM, men det är på väg åt det hållet. Han och hans fru uppmuntrar barnen att designa experiment och ägna sig åt de områden som intresserar dem. 11-åringen, som gillar whittling och hantverk, gjorde ett projekt om hur majsstärkelsebaserat slem glider nerför ett lutande plan. Nioåringen, som älskar fåglar, använde en time-lapse-kamera för att studera vilka arter som matades tillsammans vid en fågelmatare. Flickorna gör också regelbundna besök i Stranos labb, där de har en förstahandsbild av sin pappas projekt.
Bland de mer lekfulla sysslor som pågår i labbet är elektroniska apparater gjorda av växter. Strano och hans elever fokuserar särskilt på fjärrkontroller, som normalt kommunicerar med infraröd energi. Genom att modifiera växter med nanopartiklar så att de släpper ut infraröd energi på vägen - som svar, säg, på en konsuments önskan att slå på TV:n - kan forskarna göra det möjligt för växter att fylla samma funktion som dessa prylar. Vi tror att vi kan ersätta några av de enheter som för närvarande är stämplade i plast, säger Strano och tillägger att målet är att skapa en grönare klass av elektronik. En utmaning i att efterlikna fjärrkontroller är dock att deras signalering sker mycket snabbt, i storleksordningen millisekunder, och växter gillar inte att röra sig så snabbt. (Man undrar också över ödet för växtbaserad elektronik, som kräver vatten, när deras mänskliga ägare åker på semester. Enheterna skulle behöva vattna sig själva, säger Strano.)
Mike Lee, som är doktorand på andra året, är ansvarig för att hålla ett stort akvarium av guldfiskar i källaren i labbet och utveckla nanopartikelbaserade sensorer som kan injiceras i dem för att känna av deras koncentrationer av stresshormon eller kortisol. Projektet är ett samarbete med forskare vid King Abdullah University of Science and Technology i Saudiarabien, som planerar att släppa ut fisk i Röda havet och analysera deras kortisolnivåer som svar på miljöförhållanden.
Senast gjorde Strano en överraskande upptäckt om själva vattnets beteende inom gränserna för kolnanorör. I en tidning publicerad i Naturens nanoteknik i november visade han att inuti ett nanorör med en mycket specifik diameter, vid temperaturer på upp till minst 105 °C, bildade vatten ett fast ämne, ungefär som is. När vätska är i en begränsad miljö blir dess fasbeteende förvrängt, men det här är ett extremfall, säger han. Forskare kanske kan skapa små trådar gjorda av fast vatten, som skulle vara stabila vid rumstemperatur och leda protoner med hög effektivitet, som vatten är känt för att göra. Detta kan till exempel vara till hjälp för att utveckla bättre vätebränsleceller. Strano säger att han är exalterad över att utforska egenskaperna hos isnanotrådar, men han tillägger att juryn är ute om de kommer att vara till någon nytta.