Wereldberoemde nanowetenschappers en chemici Chad Mirkin, de directeur van het International Institute for Nanotechnology (IIN) aan de Northwestern University, en Teri Odom, de adjunct-directeur van het IIN, ga zitten om de gouden eeuw van miniaturisatie te bespreken en hoe de "wetenschap van kleine dingen" grote vooruitgang bevordert.

de IIN, opgericht in 2000, maakt grote vooruitgang op het gebied van nanotechnologie en bloeit enorm. Nanowetenschap en technologie - een gebied dat gericht is op het bestuderen en manipuleren van moleculen en materialen met afmetingen op de schaal van 1 tot 100 nanometer (1 nm =een miljardste van een meter) - werd in 1959 verwacht door natuurkundige Richard Feynman en mogelijk gemaakt met de komst van de elektronen- en scanning tunneling microscopen in de jaren tachtig. Het betrekt wetenschappers van over de hele wereld in vele disciplines. Ze gebruiken dergelijke tools om te verkennen, en uiteindelijk oplossen, enkele van 's werelds meest urgente problemen in de geneeskunde, Engineering, energie, en verdediging.

We nemen deel aan een gesprek tussen Mirkin en Odom om te zien waar dit opwindende veld naartoe gaat.

V:Uw team ontdekte sferische nucleïnezuur (SNA) technologie, waar kleine deeltjes kunnen worden versierd met korte stukjes DNA of RNA. Met de oprichting van SNA's, je hebt eigenlijk bekende moleculen genomen, reorganiseerde ze op nanoschaal in balachtige vormen, en veranderden hun eigenschappen. Wat is het potentieel van een dergelijke ontdekking, en welke spannende doorbraken zijn er aan de nabije horizon?

Mirkin:Twee echt veelbelovende gebieden waarop we SNA-technologie toepassen, zijn biogeneeskunde en genregulatie – het idee dat men manieren kan creëren om op DNA en RNA gebaseerde SNA's als krachtige nieuwe medicijnen te gebruiken. Bijvoorbeeld, we kunnen SNA's in commercieel verkrijgbare crèmes stoppen, zoals Aquaphor, en breng ze plaatselijk aan om huidziekten te behandelen. Er zijn meer dan 200 huidziekten met een bekende genetische basis, het maken van de op DNA en RNA gebaseerde SNA's een algemene strategie voor de behandeling van huidziekten. Conventionele DNA- en RNA-constructies op basis van lineaire nucleïnezuren kunnen niet op deze manier worden afgeleverd - ze dringen niet door in de huid. Maar, SNA's kunnen vanwege hun unieke architectuur de manier veranderen waarop ze omgaan met biologische structuren en in het bijzonder, receptoren op huidcellen die ze herkennen, maar niet lineair DNA of RNA. SNA's kunnen ook worden gebruikt voor de behandeling van blaasaandoeningen, dikke darm, long, en oogorganen en weefsels die ook moeilijk te behandelen zijn met traditionele middelen.

Vraag:Nanotechnologie is een multidisciplinair gebied waar chemie, geneeskunde en techniek kruisen elkaar om innovatieve oplossingen te creëren voor een hele reeks problemen. Een gebied is fotonica, waar vooruitgang op nanoschaal de manier waarop we communiceren verandert. Hoe?

Odom:We proberen de grootte van lasers te verkleinen, die typisch macroscopische apparaten zijn, tot op nanometerschaal. Het vermogen om nanomaterialen te ontwerpen die de productie en geleiding van licht kunnen regelen - dat is samengesteld uit afzonderlijke deeltjes die fotonen worden genoemd - kan een reeks verschillende technologieën transformeren. Bijvoorbeeld, communicatie op basis van fotonen (zoals in optische vezels) versus elektronen (zoals in koperdraden) is sneller en veel efficiënter. Toepassingen die gebruik maken van licht kunnen gemakkelijk worden getransformeerd door nanotechnologie.

Vraag:Nanotechnologie heeft een revolutie teweeggebracht in de basiswetenschappen, hun translationele impact te versnellen. Bijvoorbeeld, uw collega Samuel Stupp, directeur van het Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology in Northwestern, staat op het punt klinische proeven uit te voeren op het gebied van spinale regeneratie door middel van "zachte" doorbraken in nanotechnologie. Heeft nanotechnologie ook een revolutie teweeggebracht in de traditionele wetenschappelijke methode, te?

Mirkin:De wens om met een oplossing voor een bepaald probleem te komen, leidt er vaak toe dat wetenschappers nieuwe mogelijkheden ontwikkelen. Dat is het opwindende aan wetenschap in het algemeen, maar vooral over nanotechnologie:we hebben vaak doelen, die worden gedreven door technische behoeften, maar gaandeweg ontdekken we fundamenteel interessante principes die we niet hadden voorzien en die onze kijk op de wereld om ons heen bepalen. Deze ontdekkingen brengen ons op nieuwe paden - die misschien nog interessanter zijn dan de originele die we bewandelden. Dit is de aard en het belang van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.

Odom:Nano biedt de basis. Maar dan, wij passen ons aan, op basis van deze onverwachte eigenschappen, terwijl we onze langetermijndoelen in gedachten houden. Dat is best netjes. Je kunt je aanpassen op manieren die ontdekking en creativiteit op de voorgrond houden. Zonder dat, we zouden ons allemaal vervelen.

Vraag:Nobelprijswinnaar Sir Fraser Stoddart, John Rogers, Willem Dichter, Milan Mrksich en Stupp zijn slechts enkele van de vele grote namen in de noordwestelijke nanotechnologiegemeenschap. Wat doet Northwestern goed en wat is de wereldwijde impact?

Mirkin:Dit zijn zware slagmensen, mensen die overal ter wereld heen kunnen, maar ze kozen ervoor om naar Northwestern te komen omdat ze erkenden dat dit een heel speciale tijd in onze geschiedenis is. We zijn hier op een ongelooflijk traject, en daar willen ze deel van uitmaken.

Odom:We hebben een holistische manier om nieuwe docenten en afgestudeerde studenten op te leiden, omdat we willen dat ze een compleet beeld hebben van alles wat hier gaande is. Dit is hoe we wetenschap doen bij Northwestern, en we passen het echt toe op nanotechnologie. Een deel van ons succes als scheikundeafdeling is te danken aan ons vermogen om dingen te maken, om ze te meten, en om ze te modelleren - ik beschouw deze integratie graag als het '3Ms'-principe. Onze prestaties op het gebied van nanotechnologie zijn gebaseerd op deze drie synergetische expertisegebieden.

Mirkin:Het begint echt met talent van wereldklasse, en dan samenwerking. Je kunt samenwerken zoveel je wilt, maar als je geen talent van wereldklasse hebt, het maakt niet uit. Aangezien we all-in gaan voor de medische kant, in 15 jaar ging ik van nul samenwerkingen met de medische school, tot nu met 17. Er is hier een natuurlijke interactie tussen clinici, wetenschappers, en ingenieurs die ieders werk zoveel sterker maken. Binnen de komende vijf jaar zal Ik verwacht dat er kankerbehandelingen zullen zijn op basis van nanotechnologie die de resultaten aanzienlijk zullen verbeteren en, in sommige subgroepen van ziekten, leidt daadwerkelijk tot genezing.