Hersensensoren en elektronische tags die oplossen. Het potentieel van hernieuwbare energiebronnen vergroten. Dit zijn voorbeelden van het laatste onderzoek van twee baanbrekende wetenschappers die dit jaar zijn geselecteerd als Kavli-docenten op de 247e National Meeting &Exposition van de American Chemical Society (ACS).

De bijeenkomst beschikt over meer dan 10, 000 presentaties van de grenzen van chemisch onderzoek, en wordt hier gehouden tot en met donderdag. Twee van deze gesprekken worden ondersteund door The Kavli Foundation, een filantropische organisatie die fundamentele wetenschappelijke innovatie aanmoedigt. Deze lezingen, die een hoogtepunt vormen van de conferentie, het werk van zowel jonge als gevestigde onderzoekers in de schijnwerpers die de grenzen van de wetenschap verleggen om enkele van 's werelds meest urgente problemen aan te pakken.

Gezondheids- en duurzaamheidskwesties tegelijk aanpakken, John Rogers, doctoraat, ontwikkelt een enorme gereedschapskist met materialen - van magnesium en silicium tot zijde en zelfs rijstpapier - om biologisch afbreekbare elektronica te maken die mogelijk in tal van toepassingen kan worden gebruikt. Hij zal de "Fred Kavli Innovations in Chemistry Lecture" geven.

"Wat we ontdekken is dat er op elk niveau een robuust en divers palet aan materiaalopties is, " zei Rogers, die bij de Universiteit van Illinois is, Urbana-Champagne. "Voor de dirigent voor de halfgeleider, voor de isolerende laag en de verpakking en de ondergrond, men kan materialen kiezen en kiezen, afhankelijk van de vereisten van de toepassing."

Het team van Rogers werkt eraan om enkele van deze elementen op te nemen in sensoren die, bijvoorbeeld, detecteren het vroege begin van zwelling en temperatuurveranderingen in de hersenen na hoofdletsel en verdwijnen vervolgens wanneer ze niet langer nodig zijn. Vandaag, apparaten die voor deze doeleinden zijn ontworpen, zijn bedraad - ze moeten worden geïmplanteerd en later volledig worden verwijderd zodra ze niet langer nodig zijn. Rogers' sensor kan worden geïmplanteerd, maar werkt draadloos en, na gebruik, "gewoon verdwijnen." Dat elimineert het risico op infectie en andere complicaties die gepaard gaan met het operatief verwijderen van apparaten. Rogers heeft met succes vroege prototypes van sensoren getest in proefdieren en voorziet dat dergelijke apparaten ooit bij menselijke patiënten zouden kunnen worden gebruikt.

Zijn groep werkt ook aan biologisch afbreekbare radiofrequentie-identificatietags, of RFID-tags. Momenteel, RFID's worden met miljarden geproduceerd en in alles gebruikt, van jeans voor het nauwkeurig volgen van inventaris tot smartcards en geïnjecteerd in huisdieren. Ze worden ook aangetroffen in productverpakkingen die op stortplaatsen terechtkomen. Met behulp van cellulose, zink en silicium, Rogers heeft met succes oplosbare RFID-tags gemaakt in het lab. De volgende stap is uitzoeken hoe de productie kan worden opgeschaald en gecommercialiseerd.

"We zijn vrij optimistisch, "Zei Rogers. "We zien de weg vooruit en zijn ongeveer halverwege."

Het geven van de "The Kavli Foundation Emerging Leader in Chemistry Lecture" is Emily Weiss, doctoraat, van de Northwestern University. Haar lab is gericht op het halen van het meeste vermogen uit gemengde en op elkaar afgestemde nanomaterialen die worden ontwikkeld om hernieuwbare energiebronnen te maximaliseren. Wetenschappers kunnen deze materialen nu met ongekende precisie ontwerpen om grote hoeveelheden energie op te vangen, bijvoorbeeld van de zon en warmtebronnen. Maar al die energie uit deze materialen halen en de wereld in duwen om huizen en gadgets van stroom te voorzien, waren grote obstakels.

"Elektrische stroom komt voort uit de beweging van elektronen door een materiaal, " legde Weiss uit. "Maar als ze door een materiaal of apparaat gaan, ze komen plaatsen tegen waar ze van het ene type materiaal naar het andere moeten springen op wat een interface wordt genoemd. Door interfaces, Ik bedoel plaatsen waar delen van het materiaal die niet precies hetzelfde zijn, elkaar ontmoeten. Het probleem is wanneer een elektron van het ene materiaal naar het andere moet gaan, het verliest energie."

Naarmate structuren in materialen kleiner worden, het interfaceprobleem wordt versterkt omdat nanomaterialen meer oppervlakte hebben in vergelijking met hun volume. Dus elektronen in deze geavanceerde apparaten moeten over steeds meer interfaces reizen, en ze verliezen elke keer energie als warmte.

Maar dankzij de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van analytische instrumenten en rekenkracht, De groep van Weiss staat klaar om van dit nadeel een pluspunt te maken. "In plaats van al deze interfaces als negatief te zien, nu hoeven we het niet als een nadeel te beschouwen, " zei ze. "We kunnen een interface zo ontwerpen dat we defecten kunnen wegwerken en deze vertraging kunnen wegwerken. We kunnen zorgvuldig ontworpen interfaces gebruiken om de eigenschappen van uw apparaat te verbeteren. Dat soort filosofie begint voet aan de grond te krijgen."