Forskere diskuterer den fremtidige virkning af nutidens nanoteknologiske forskning

Verdenskendte nanovidenskabsmænd og kemikere Chad Mirkin, direktøren for International Institute for Nanotechnology (IIN) ved Northwestern University, og Teri Odom, IIN's Associate Director, sæt dig ned for at diskutere miniaturiseringens guldalder, og hvordan "videnskaben om små ting" fremmer store fremskridt.

IIN, grundlagt i 2000, gør store fremskridt inden for nanoteknologi og trives i stor stil. Nanovidenskab og teknologi – et felt med fokus på at studere og manipulere molekyler og materialer med dimensioner på 1 til 100 nanometer længdeskalaen (1 nm =en milliardtedel af en meter) – blev forudset i 1959 af fysikeren Richard Feynman og muliggjort med fremkomsten af elektron- og scanningstunnelmikroskoperne i 1980'erne. Det engagerer forskere fra hele verden på tværs af mange discipliner. De bruger sådanne værktøjer til at udforske, og i sidste ende løse, nogle af verdens mest presserende spørgsmål inden for medicin, ingeniørarbejde, energi, og forsvar.

Vi sidder i en samtale mellem Mirkin og Odom for at se, hvor dette spændende felt er på vej hen.

Spørgsmål:Dit team opdagede sfærisk nukleinsyre (SNA) teknologi, hvor bittesmå partikler kan dekoreres med korte stykker DNA eller RNA. Med oprettelsen af ​​SNA'er, du har dybest set taget kendte molekyler, omorganiserede dem på nanoskala til kuglelignende former, og ændrede deres egenskaber. Hvad er potentialet ved en sådan opdagelse, og hvilke spændende gennembrud er i den nære horisont?

Mirkin:To virkelig lovende områder, hvor vi anvender SNA-teknologi, er biomedicin og genregulering - ideen om, at man kan skabe måder at bruge DNA- og RNA-baserede SNA'er som potente nye lægemidler. For eksempel, vi kan sætte SNA'er i kommercielt tilgængelige cremer, ligesom Aquaphor, og anvende dem topisk til behandling af sygdomme i huden. Der er mere end 200 hudsygdomme med et kendt genetisk grundlag, gør de DNA- og RNA-baserede SNA'er til en generel strategi til behandling af hudsygdomme. Konventionelle DNA- og RNA-konstruktioner baseret på lineære nukleinsyrer kan ikke leveres på denne måde - de trænger ikke ind i huden. Men, SNA'er kan på grund af deres unikke arkitektur, der ændrer den måde, de interagerer med biologiske strukturer og især, receptorer på hudceller, der genkender dem, men ikke lineært DNA eller RNA. SNA'er kan også bruges til at behandle sygdomme i blæren, kolon, lunge, og øjne – organer og væv, der også er svære at behandle med traditionelle midler.

Q:Nanoteknologi er et tværfagligt område, hvor kemi, medicin og teknik krydser hinanden for at skabe innovative løsninger til en lang række spørgsmål. Et område er fotonik, hvor fremskridt på nanoskalaen ændrer måden, vi kommunikerer på. Hvordan?

Odom:Vi forsøger at reducere størrelsen af ​​lasere, som typisk er makroskopiske enheder, ned til nanometerskalaen. Evnen til at designe nanomaterialer, der kan styre produktionen og styringen af ​​lys - som er sammensat af individuelle partikler kaldet fotoner - kan transformere en række forskellige teknologier. For eksempel, kommunikation baseret på fotoner (som i optiske fibre) vs. elektroner (som i kobbertråde) er hurtigere og meget mere effektiv. Applikationer, der udnytter lys, kan let transformeres med nanoteknologi.

Q:Nanoteknologi har revolutioneret de grundlæggende videnskaber, hurtig sporing af deres translationelle effekt. For eksempel, din kollega Samuel Stupp, direktør for Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology i Northwestern, er på nippet til at udføre kliniske forsøg med spinal regenerering gennem "bløde" nanoteknologiske gennembrud. Har nanoteknologi også revolutioneret den traditionelle videnskabelige metode, også?

Mirkin:Ønsket om at komme med en løsning på et givet problem får ofte videnskabsmænd til at udvikle nye evner. Det er det spændende ved videnskab generelt, men om nanoteknologi i særdeleshed:vi har ofte mål, som er drevet af tekniske behov, men undervejs opdager vi fundamentalt interessante principper, som vi ikke havde forudset, og som informerer vores syn på verden omkring os. Disse opdagelser fører os ned ad nye veje - dem, der måske er endnu mere interessante end de oprindelige, vi var på. Dette er karakteren og vigtigheden af ​​grundvidenskabelig forskning.

Odom:Nano giver det grundlæggende. Men derefter, vi tilpasser os, baseret på disse uventede egenskaber, mens vi stadig holder vores langsigtede mål for øje. Det er ret pænt. Du kan justere på måder, der holder opdagelse og kreativitet på forkant. Uden det, vi ville alle kede os.

Q:Nobelprisvinder Sir Fraser Stoddart, John Rogers, William Dichtel, Milan Mrksich og Stupp er blot nogle få af de mange store navne i det nordvestlige nanoteknologisamfund. Hvad gør Northwestern rigtigt, og hvad er den globale effekt?

Mirkin:Disse er tunge hitters, mennesker, der kan gå overalt i verden, men de valgte at komme til Northwestern, fordi de erkendte, at dette er en meget speciel tid i vores historie. Vi er på en utrolig bane her, og de vil gerne være en del af det.

Odom:Vi har en holistisk måde at træne nye fakulteter og kandidatstuderende på, fordi vi ønsker, at de skal have et komplet billede af alt, hvad der foregår her. Sådan laver vi videnskab på Northwestern, og vi anvender det virkelig til nanoteknologi. En del af vores succes som kemiafdeling er kommet fra vores evne til at lave ting, at måle dem, og at modellere dem – jeg kan godt lide at tænke på denne integration som "3Ms"-princippet. Vores resultater inden for nanoteknologi er bygget på disse tre synergistiske ekspertiseområder.

Mirkin:Det starter virkelig med talent i verdensklasse, og derefter samarbejde. Du kan samarbejde alt, hvad du vil, men hvis du ikke har talent i verdensklasse, det er lige meget. Da vi går all-in på den medicinske side, på 15 år gik jeg fra at have nul samarbejde med medicinstudiet, til nu at have 17. Der er en naturlig interaktion her mellem klinikere, videnskabsmænd, og ingeniører, der gør alles arbejde så meget stærkere. Inden for de næste fem år, Jeg forventer, at der vil være kræftbehandlinger baseret på nanoteknologi, som i høj grad forbedrer resultaterne og, i nogle undergrupper af sygdomme, faktisk fører til helbredelser.