Stuart Lindsay, Arizona State University Regents' professor en directeur van het Biodesign Institute's Center for Single Molecule Biophysics, heeft zojuist de eerste uitgebreide gids uitgebracht voor een kleine wereld die een miljoen keer kleiner is dan een enkele zandkorrel. Inleiding tot nanowetenschap (uitgegeven door Oxford University Press) biedt lezers een overzicht van een opkomende discipline die de afgelopen jaren opmerkelijke prestaties geleverd op gebieden die zo gevarieerd zijn als DNA-sequencing, moleculaire machines, nanokristallen en microscopie.

n de aanzet voor het boek bespreken, Lindsay merkt op dat zijn wijdverbreide onderzoek altijd gepaard is gegaan met een passie voor het onderwijzen van biofysische concepten aan getalenteerde studenten. Inleiding tot nanowetenschap biedt onderzoekers wereldwijd ook een eerste in zijn soort, all-inclusive behandeling van nanowetenschap. Het boek integreert verschillende disciplines en omvat fundamentele kwantumfenomenen, Instrumenten van de handel, en toepassingen op nanoschaal. In de loop van dit overzicht Lindsay keert keer op keer terug naar het thema van opkomend gedrag - hoe minieme fluctuaties op nanoschaal kunnen resulteren in het verschijnen van opvallende, vaak onverwachte nieuwe fenomenen.

Het boek is een uitvloeisel van de lezingen van professor Lindsay in nanowetenschappen, verfijnd gedurende vele jaren, met onschatbare input van zijn studenten. Oxford University Press hoorde van de cursus en, in de overtuiging dat het een prima hulpbron zou zijn, verzocht Lindsay om het materiaal in een boek te verwerken.

"Wat is er zo opvallend, "Lindsay houdt vol, "is dat gebeurtenissen die plaatsvinden op nanoschaal implicaties hebben voor de chemie, biologie, natuurkunde, materiaal kunde, Engineering, noem maar op." Toch het nanorijk ontbrak een leerboek dat de ongelijksoortige elementen van het veld kon samenbrengen. "Het is toch wel opmerkelijk dat de kennis er niet op een verzamelde manier was. Ik heb een cursus samengesteld die heel uitgebreid was, beginnend met natuurkunde en eindigend met biologie, " hij zegt.

Gezien het razendsnelle tempo van de wetenschappelijke vooruitgang, vooral in de nanowetenschap, Lindsay stond voor een enorme uitdaging. "Ik wist dat sommige actuele problemen in het veld achterhaald zouden zijn tegen de tijd dat mijn vingers het toetsenbord zouden verlaten." In de hoop een werk te produceren dat relevant kan blijven, Lindsay koos ervoor een schat aan fundamentele principes op te nemen die breed toepasbaar zouden zijn, ongeacht de nieuwe omstandigheden die studenten in de toekomst waarschijnlijk zouden tegenkomen.

Het boek is opgedeeld in drie delen. Deel I (The Basics) is een op zichzelf staande inleiding tot de kwantummechanica, statistische mechanica en chemische kinetiek, waarvoor alleen elementaire college-calculus nodig is. Deel II (The Tools) behandelt microscopie, manipulatie en meting van één molecuul, nanofabricage en zelfassemblage. Deel III (Toepassingen) behandelt elektronen in nanostructuren, moleculaire elektronica, nanomaterialen en nanobiologie. "Als je door het lab dwaalt, " zegt Lindsay, "Je zult ezelsoren exemplaren van de Xeroxed-versie van het boek op de bureaus van studenten zien liggen - het is echt een compendium van alles wat ik denk dat ze moeten weten op het gebied van nanowetenschap."

Het leven in de nanowereld kan verontrustend zijn voor niet-ingewijden, zo duidelijk zijn de werkingen ervan vergeleken met de omstandigheden van de dagelijkse ervaring. Een nanometer is ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar. Toevalsfluctuaties domineren het toneel en, zoals Lindsay benadrukt, essentiële grondstof leveren waarop darwinistische selectieve processen werken. "Hoe meer ik de componenten van de biologie bestudeer, hoe meer ik zou zeggen dat fluctuaties niet alleen vervelend zijn om mee te leven - ze zijn eigenlijk het verhaal van de biologie."

Deze rode draad loopt door het hele boek, het verenigen van vele verschillende gebieden van nanowetenschap. Een dergelijke verrassende illustratie van dit centrale thema vindt plaats aan het einde van de tekst, waar Lindsay belangrijk onderzoek bespreekt naar neurale ontwikkeling bij de fruitvlieg. Willekeurige fluctuaties in genexpressie en splitsing dienen om het genetische dek te schudden om een ​​enorm aantal varianten van plakkerige eiwitten te produceren, die essentieel zijn voor een goede neurale assemblage. Toen het aantal van deze splitsingsvarianten in een bepaald gen werd teruggebracht van ongeveer 30, 000 tot 20, 000, de wezens waren niet in staat om de juiste hersenen te vormen. "De evolutie van een neuraal netwerk in een brein omvat de interactie tussen een ongelooflijk diverse en willekeurig samengestelde Darwinistische dobbelsteenworp van neurale verbindingen en een omgeving die selectief op de resultaten inwerkt, ' zegt Lindsay.

Inleiding tot nanowetenschap is een essentiële bijdrage aan een van de meest dynamische velden, gericht op het inspireren van een nieuw type jonge onderzoeker - een die doordrenkt is van een multidisciplinaire wetenschappelijke cultuur. "Deze verschillend opgeleide en diverse groep getalenteerde jonge mensen gaat niet alleen op eigen kracht wetenschappelijke doorbraken produceren, " zegt Lindsay, "Zij zijn ook de mensen die de volgende generatie bedrijven gaan starten die rijkdom genereren en de nationale economie aandrijven en ze gaan nieuwe dingen creëren met hun hersens omdat ze nieuwe manieren hebben geleerd om te denken."