TR 100 Nanotech

Nanotech – vetenskapen om att bygga och manipulera strukturer på molekylär nivå – lovar nya perspektiv på och oväntade lösningar på ett brett spektrum av befintliga problem inom halvledare, optik, avkänning och bioteknik. Många av årets TR100-utmärkelser, fast beslutna att göra nya genombrott, vänder sig till nanoteknik för att få en oöverträffad nivå av precision, kontroll och flexibilitet i att skapa nya material och enheter. Nanomaterialen som uppfunnits av denna elitgrupp lovar allt från snabbare och mindre elektronik till mer effektiva och riktade terapier. När du kommer till nanolängdsskalorna kan du få unika egenskaper, säger Yi Cui vid University of California, Berkeley. TR100:s Nanotech+-kategori inkluderar ett brett utbud av innovationer och forskning inom materialvetenskap och energi. Men det är på skalan av den ultrasmå som många av årets TR100 gör sina största bidrag.

Mycket av verksamheten är inom biomedicin. Det beror på att nanomaterial har precis rätt storlek för att interagera med viktiga biologiska aktörer, som proteiner, DNA-molekyler och virus. Att tillämpa nanoteknik på biomedicinska problem är en naturlig passform, säger Darrell Irvine , en biomedicinsk ingenjörsprofessor vid MIT.

Irvine hjälper till att bygga bättre vaccin mot sjukdomar som malaria och cancer genom att designa nanopartiklar av en syntetisk polymer. Nanopartiklarna, som bär specifika stimulerande molekyler och antigener, tas upp av immunceller, vilket utlöser ett immunsvar. På grund av sin lilla storlek kan nanopartiklarna leverera molekylerna med hög precision till specifika receptorer inuti celler. Det betyder bättre kontroll över styrkan och typen av det resulterande immunsvaret, vilket borde ge effektivare vacciner. Irvine har nyligen börjat arbeta med medicinska forskare vid Harvard University för att undersöka material som kan användas för att leverera ett HIV-vaccin.

Albena Ivanisevic , en kemiprofessor vid Purdue University, använder en teknik som kallas dip-pen nanolitografi för att hjälpa till att lösa ett centralt problem för vävnadsingenjörer som hoppas kunna reparera skadade kroppsdelar: att kontrollera den exakta tillväxten av celler på specifika platser. Ivanisevic täcker mikroskopiska spetsar med cellnärande peptidmolekyler; spetsarna avsätter sedan peptiderna på en yta. Möjligheten att arrangera dessa peptidmolekyler med precision i nanoskala ger Ivanisevic större kontroll över hur och var celler kommer att växa på ytan – vilket i slutändan bildar ny vävnad för kroppen.

Nanotech öppnar också för nya möjligheter för dem som arbetar att mer effektivt utnyttja eller manipulera ljus. Som alla som någonsin har behövt byta en glödlampa kanske misstänker, är konventionell glödlampsbelysning baserad på en 150 år gammal teknologi, och forskare letar ivrigt efter nya sätt att förlänga livslängden och öka effektiviteten hos ljusavgivande material. En av favoritleksakerna för forskare inom området är kvantprickar – nanopartiklar av halvledarmaterial som avger olika färger av ljus beroende på deras storlek. Och Vladimir Bulovic , en professor i elektroteknik vid MIT, använder dessa tåliga, färgglada nanoprickar för att återuppfinna glödlampan. Från kvantprickar har Bulovic byggt nya ljusemitterande dioder som kan integreras i flexibla material som plast och bör hålla mycket längre än vanliga glödlampor. Medan andra, inklusive Bulovic själv, redan har utvecklat organiska lysdioder, säger Bulovic att kvantprickar kan förlänga deras effektiva livslängd, vilket gör dem mer användbara. Han hoppas kunna producera ett mycket effektivt och långvarigt ljusavgivande flexibelt material under de kommande ett till två åren.

Marcel Bruchez , ledande produktutvecklingsforskare vid Quantum Dot i Hayward, CA, anlitar också de glödande nanopartiklarna, men för biologisk avbildning och utveckling av diagnostik. Kvantprickar avger ljus mycket längre än de konventionella färgämnena som används för att spåra aktivitet inuti levande celler, och deras olika färger gör att forskare samtidigt kan avbilda flera händelser och få större insikt i cellers inre funktion. För Bruchez är fördelen med att arbeta med nanomaterial att de öppnar upp för helt nya sätt att tänka kring problem. Det ger dig större flexibilitet i att manipulera materialen och att placera dem där du vill att de ska gå, säger Bruchez.

Elektronikforskare som söker allt mindre och snabbare kretsar tar också framsteg med hjälp av nanoteknik. Kiselindustrin är redan i nanoregimen, påpekar Kinneret Keren, en forskare vid Stanford University. Nu försöker de mer för den molekylära regimen. Det innebär att man använder molekyler som kolnanorör för att bygga nästa generations elektriska kretsar. Medan andra forskare redan har gjort transistorer av individuella halvledande nanorör, bestämde Keren sig för att ta itu med processen att montera sådana transistorer. Hennes knep var att fästa kompletterande bitar av DNA till ett nanorör och till en kiselwafer; eftersom de två bitarna av DNA naturligt bundit till varandra, gjorde de arbetet med att föra samman nanoröret och wafern för att producera en transistor. Även om Kerens process förblir en laboratorieprestation, kan den så småningom erbjuda en ny metod för att effektivt tillverka små kretsar där varje transistor är en enda molekyl.

Medan forskare som Keren rekryterar biomolekyler för att hjälpa till att tillverka elektronik, Mayank Bulsara håller fast vid traditionellt kisel – men manipulerar det på nya sätt. Bulsara, medgrundare och teknisk chef för AmberWave Systems i Salem, NH, utvecklar en ny form av kisel som lovar att göra datorchips 20 procent snabbare samtidigt som energiförbrukningen sänks med 30 till 40 procent. Nyckeln är att sträcka en kiselkristall genom att dra isär dess atomer bara några tusendelar av en nanometer – som ett gummiband, säger Bulsara. Denna sträckning ändrar egenskaperna hos materialet så att elektronerna som rasar genom det är mindre benägna att kollidera med kiselatomer, spridas och sakta ner. Bulsara hoppas ha chips som innehåller det sträckta kiseln på marknaden i stora mängder i slutet av nästa år.

Årets TR100 har precis börjat visa resultaten av nanotechs razzior i nya spännande områden, men att ta deras arbete ut i den verkliga världen ställer till sina egna problem. Den största utmaningen är att komma på sätt att producera nanomaterial över tillräckligt stora ytor, säger Bulovic. Men när den utmaningen äntligen möts, bli inte förvånad om de stigande stjärnorna som du kommer att läsa om på de närmaste sidorna var bland dem som hjälpte till att visa vägen.

TR100 Startups i Nanotech+
Innovatör	Företaget grundat/medgrundat	Teknik/Milstolpar
Marcel Bruchez	Quantum Dot (Hayward, CA)	Fluorescerande nanokristaller gjorda av halvledarmaterial för biologisk märkning och diagnostik; mer än 1 000 kunder
Mayank Bulsara	AmberWave Systems (Salem, NH)	Ansträngt kisel för snabbare, mindre strömkrävande halvledarbaserade enheter; produkter som innehåller tekniken kan vara allmänt tillgängliga i slutet av 2005
Leroy ohlsen	Neah Power Systems (Bothell, WA)	Kiselbaserade bränsleceller för bärbara datorer och andra bärbara elektroniska enheter; första produkten kan komma på marknaden 2006

Nanotech-profiler

Marcel Bruchez
Ålder: 31 | Medgrundare och huvudsaklig stabsforskare | Quantum Dot
För sex år sedan visade Marcel Bruchez, då doktorand vid University of California, Berkeley, att kvantprickar – glödande partiklar bara nanometer breda – kunde användas för att märka proteiner inuti celler. Inom några månader hade Bruchez varit med och grundat Quantum Dot för att marknadsföra det nya bildverktyget till biologer och läkemedelsutvecklare som söker en mer detaljerad bild av molekylära händelser. Det är en av de första kommersiella tillämpningarna av nanoteknik, säger Bruchez.

Yi Cui
Ålder: 28 | Forskare | University of California, Berkeley
Medan vissa nanoteknikforskare skapar de grundläggande byggstenarna i nya material, spelar andra, som Yi Cui, lika viktiga roller när det gäller att sätta ihop dessa block och ta nästa steg mot praktiska tillämpningar. Cuis förmåga att finkontrollera sammansättningen av nanobyggstenar har lett till nya enheter som kan hamna i cancerscreeningschips, kvantdatorer och solceller.

Som doktorand i kemi vid Harvard University gjorde Cui banbrytande arbete med nanotrådar, med en kombination av lasrar och kemiska ångor för att fånga kisel för att bilda små ledningar som inte bara ledde elektroner utan också kunde stänga av och slå på en ström som en transistor. Cui tillverkade till och med nanotrådar vars byte berodde på närvaron av specifika proteiner, så de kunde fungera som ultrakänsliga biosensorer i tester för tidiga tecken på prostatacancer.

På Berkeley har Cui fortsatt att bemästra konsten att bygga funktionella enheter på nanoskala. Senast har han hittat sätt att exakt länka ihop nya typer av nanobyggstenar som kallas nanotetrapods – prickar av material som är några nanometer breda, var och en med fyra nanorods som strålar ut i olika riktningar. Medan andra forskare tidigare har gjort nanotetrapods, kan Cui länka många av dem tillsammans för att skapa ett nät av kretsar och finkontrollera deras elektriska egenskaper. Vi kan få nanotetrapoderna att självmontera i vilket mönster vi än behöver, inklusive uppsättningar av transistorer, säger Cui. På grund av sin lilla storlek kan dessa kretsar i teorin vara flera gånger snabbare än kretsarna i dagens datorchips.

Genom att arrangera nanotetrapods till förgrenade nätverk har Cui förvandlat dem från en råingrediens till något som kan byggas in i riktiga enheter, som solceller. Och eftersom nanotetrapoderna är tillräckligt små för att registrera närvaron av individuella elektroner, kan de till och med dra fördel av subatomära partiklars konstiga kvantegenskaper, vilket utgör grunden för nya typer av datorer som kommer att fungera tusentals gånger snabbare än dagens snabbaste maskiner. Även om den applikationen är många år bort, har Cui redan visat möjligheten att bygga nya strukturer med de grundläggande ingredienserna i nanotech.

Leroy ohlsen
Ålder: 30 | Grundare och teknisk chef | Neah Power Systems
Bränsleceller som körs på metanol kan driva mobiltelefoner och bärbara datorer, men de är dyra och inte särskilt kraftfulla. Leroy Ohlsen, grundare av Neah Power Systems i Bothell, WA, ersatte cellernas plastmembran, som tar bort elektroner ur metanolen för att producera elektricitet, med poröst kisel. Kislet ger oss inte bara mer kraft, säger Ohlsen, utan det kan också sänka tillverkningskostnaderna. Räkna med företagets första bränsleceller 2006.

Molly Stevens
Ålder: 30 | Föreläsare | Imperial College London
Materialforskaren Molly Stevens menar att när det gäller att känna av förändringar i miljön är det inget som slår biologiska system. Det är därför hon vänder sig till biologiska molekyler för att skapa smarta nanomaterial som kan leda till nya implanterbara avkännings- och läkemedelsleveranser.

Sådana anordningar skulle snabbt upptäcka fysiologiska förändringar i kroppen, såsom en ökning av kolesterol, och svara genom att släppa ut lämplig dos av ett lagrat läkemedel. Det är åtminstone visionen. Men att inse det kommer att kräva nya typer av material som beter sig annorlunda under olika kemiska förhållanden.

Stevens har nyligen visat att hon kan kontrollera beteendet hos guldnanopartiklar genom att ändra pH i lösningen där de är suspenderade. Hon fäste partiklarna på specialdesignade peptidmolekyler som under rätt pH-förhållanden interagerar med varandra för att dra ihop partiklarna till en organiserad struktur. En förändring i pH ändrar formen på peptiderna så att de stöter bort varandra och partiklarna sprids. Vi tar det bästa av naturens kreativitet och använder den för oss själva, säger Stevens.

Experimentet visar att det är möjligt att skapa material som automatiskt omformar sig själva som svar på kemiska förändringar i kroppen. Ett sådant material skulle kunna ge implanterbara läkemedelstillförselanordningar som fungerar som sina egna biologiska sensorer.

Stevens utnyttjar mångsidigheten hos peptider för nästa steg i hennes arbete. Hon konstruerar nu peptiderna så att de ändrar form på subtilare och mer varierande sätt. En läkemedelstillförselanordning gjord med användning av sådana peptider skulle vara mer känslig för fysiologiska förändringar och skulle kunna erbjuda mer kontroll över en mängd olika läkemedelsdoser. Om hennes nya projekt lyckas kommer Stevens att ha spelat en avgörande roll för att inte bara göra nanomaterial utan läkemedelsleverans mycket smartare.

Vladimir Bulovic
Ålder: 34
Docent, MIT
Använder organiska och nanostrukturerade halvledare i enheter som lysdioder, lasrar, fotodetektorer och kemiska sensorer. Nystartade företag har licensierat många av hans 30 amerikanska patent.

Mayank Bulsara
Ålder: 32
Medgrundare och teknisk chef, AmberWave Systems
Medgrundade Salem, NH-baserade AmberWave för att utveckla ansträngt kisel, en avancerad form av kisel som gör att datorchips går snabbare och förbrukar mindre ström.

Dustin Carr
Ålder: 34
Huvudmedlem i teknisk personal, Sandia National Laboratories
Skapar kiselenheter i nanoskala som kan upptäcka rörelser i subatomär skala. Nanodetektorerna skulle kunna användas till exempel i ultraprecisa accelerometrar för flygplansnavigering.

Martin Culpepper
Ålder: 32
Biträdande professor, MIT
Bygger de maskiner som behövs för att göra verklighet av högkvalitativ, låg kostnad nanotillverkning. Hans nanomanipulatorer är mer flexibla och erbjuder högre prestanda än befintliga versioner – till en tjugondel av kostnaden.

Glädjen i Delmau
Ålder: 33
Forskningspersonal, Oak Ridge National Laboratory
Hjälpte till att lösa grundläggande problem inom kärnavfallsbehandling som ledde till en ekonomisk process för att sanera mer än 100 000 kubikmeter radioaktivt avfall vid Savannah River Site i South Carolina, som hanterar det amerikanska kärnkraftslagret.

Martha Gardner
Ålder: 33
Statistiker, General Electric
Skapat statistiska modeller och designprogram för att göra materialutvecklingen mer effektiv. Med hjälp av hennes metoder har ingenjörer minskat produktutvecklingstiden med 90 procent.

Verena Graf
Ålder: 32
Ingenjör, DaimlerChrysler
Utvecklar bränsleceller som är praktiska för att driva bilar: de är robusta, startar snabbt och har utmärkt effekttäthet, oavsett väder.

Yu Han
Ålder: 27
Postdoktor, Institutet för bioteknik och nanoteknik (Singapore)
Syntetiserade partiklar i nanoskala med små, exakt definierade porer. Hans material kan användas för kontrollerad leverans av läkemedel eller för genterapi.

Stefan Hecht
Ålder: 30
Biträdande professor, Free University of Berlin
Utarbetade en ny klass av polymernanorör och andra molekylära byggstenar. Dessa nya material har potentiella tillämpningar vid tillverkning av elektroniska enheter i nanostorlek.

Darrell Irvine
Ålder: 31
Biträdande professor, MIT
Skapar nanopartiklar som skulle frigöra kemikalier inuti kroppen för att programmera immunceller för att bekämpa virusinfektioner som HIV, för att tolerera transplantationer eller till och med för att förstöra maligna tumörer.

Rustem Ismagilov
Ålder: 31
Biträdande professor, University of Chicago
Utvecklar mikrofluidikteknologier som använder små droppar för att karakterisera funktionen och strukturen hos proteiner och för att modellera komplexa biokemiska processer. De mikrofluidiska modellerna bör ge insikter som är relevanta för läkemedelsupptäckt och design av medicinsk utrustning.

Albena Ivanisevic
Ålder: 29
Biträdande professor, Purdue University
Använder mikroskopiska tips för att deponera exakta mönster av peptider direkt på vävnader i kroppen. Hennes teknik, som hon testar i grisögon, kan hjälpa till att behandla eller till och med bota blindhet.

Ravi Kane
Ålder: 32
Biträdande professor, Rensselaer Polytechnic Institute
Skapat en mycket potent mjältbrandsbehandling där varje läkemedelsmolekyl blockerar flera toxinmolekyler snarare än bara en. Han utökar konceptet till anti-HIV-terapier.

Kinneret Keren
Ålder: 32
Postdoktor vid Stanford University Medical School
Använder biologibaserad självmontering för att bygga molekylär elektronik. Hon skapade en självmonterad molekylär-elektronisk enhet - en kolnanorörstransistor - med hjälp av en DNA-mall.

Jamie Link
Ålder: 26
Doktorand, University of California, San Diego
Etsade optiska streckkoder i mikrometerstora bitar av kisel. Hon hoppas kunna använda tekniken för att upptäcka föroreningar i vatten eller cancerceller i kroppen.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Ålder: 30
Biträdande professor vid University of Texas i Austin
Uppfann nanotransfertryck, en miljövänlig teknik för att mönstra funktioner i nanoskala på organisk elektronik och plastkretsar. Detta nanomönster kan användas för att göra flexibla skärmar med stora ytor och billiga solceller, och det kan möjliggöra nya medicinska terapier och diagnostik.

Tyler McQuade
Ålder: 33
Biträdande professor, Cornell University
Skapar katalysatorer för att minska antalet steg som behövs för att syntetisera läkemedel, vilket minskar miljöfarliga biprodukter. Han hoppas att ett system kommer att ta tillverkningen av Prozac, ett bästsäljande antidepressivt läkemedel, från fyra steg till bara ett.

Teri Odom
Ålder: 30
Assisterande professor,
Northwestern University
Mönstrat kisel för att skapa små bägare som bara rymmer zeptoliter (kiselnanobrunnarna är bara 50 nanometer tvärs över), idealiska för att odla individuella nanopartiklar av specifik och enhetlig storlek. Sådan ultraprecision gör det möjligt att skräddarsy partiklar för specialiserade användningar – som till exempel ultrakänsliga kemiska sensorer.

Erik Scher
Ålder: 28
Forsknings- och utvecklingsforskare, Nanosys
Arbetar med oorganiska halvledarnanomaterial som hjälper Palo Alto, CA-baserade Nanosys att utveckla billiga, flexibla solceller. Nanosys partner, Matsushita, planerar att införliva nanosolcellerna i byggmaterial.

Michael Strange
Ålder: 28
Biträdande professor, University of Illinois, Urbana-Champaign
Kom fram till en ny förståelse av kolnanorörs ytkemi som gör att kolnanorör kan sorteras efter deras halvledande, metalliska eller isolerande egenskaper. Detta bryter den stora vägspärren som har förhindrat användning av nanorör i enheter.

William Taylor
Ålder: 32
Ingenjörsdirektör, ArvinMeritor
Spjutspetsar för att kommersialisera plasmatronen, en föroreningskontrollanordning som omvandlar dieselbränsle till väte, vilket minskar kväveoxidutsläppen med upp till 90 procent.

Tsuyoshi Yamamoto
Ålder: 31
Forskare, NEC
Demonstrerade den första logiska porten med två kvantbitar någonsin i en solid-state-enhet, ett framsteg som är avgörande för att bygga en ultrasnabb kvantdator.

Shu Yang
Ålder: 33
Biträdande professor, University of Pennsylvania
Designar smarta fotoniska enheter för blixtsnabba datorer och kommunikationsnätverk. Medan hon var på Bell Labs, utvecklade hon en flytande mikrolins som kan fokuseras elektroniskt på millisekunder för att rikta ljussignaler inuti optiska fibrer.

Yuankai Zheng
Ålder: 34
Forskare, Data Storage Institute (Singapore)
Förenklade produktionen av magnetiskt RAM, vilket gjorde denna snabba, icke-flyktiga form av datorminne billigare och mer praktiskt. Ett magnetiskt RAM-chip i miniatyrstorlek kan lagra 32 gigabyte data.

Dölj