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ボトルロケットからバイオニックほうれん草まで
マイケル・ストラーノは子供の頃、水素を燃料とするロケットを打ち上げました。現在、彼の研究室では、ナノセンサー、バイオニックプラント、ナノスケールの氷線、およびまったく新しいエネルギー源を開発しています。 2017年2月22日
化学工学研究室の場合、マイケルストラーノのワークスペースには、ほうれん草、クレソン、ルッコラなど、珍しい緑がたくさんあります。 Stranoは、植物に新しい機能を与えるために、葉を介してナノ粒子を植物に導入しました。緑豊かなサラダグリーンを指差しながら、食べたくないと彼は言います。これは電気スタンドのように光るように設計されており、あなたの携帯電話に話しかけようとしています。彼はまた、土壌中の爆発物を感知し、その情報を遠隔地の観測者に送信できるホウレンソウの植物を作成しました。
Stranoは長い間カーボンナノチューブを扱ってきており、植物だけでなく人間や動物のセンサーとしての使用を開拓してきました。彼はまた、ナノ粒子を使用して植物の能力を強化し、電気スタンドとしての植物のように、空想科学小説に迫っているように見えるデバイスを作成しました。その過程で、彼はナノチューブがまったく新しいエネルギー源としてどのように役立つかを発見しました。彼の仕事は、熱力学、材料科学、ナノテクノロジー、そして現在は植物生物学にまたがっています。これは、学界の上流ではまれなままである関心の合流点です。
このラボではいくつかの生態系が進行していると、魚のセンサーに取り組んでいるStranoの大学院生であるMikeLee氏は言います。彼はとても情熱的な男で、学ぶべきことがたくさんあります。
裏庭の化学
Stranoの創造的なリスクテイクの歴史は、早い段階から始まりました。ペンシルベニアで育った彼は、化学と電子工学をいじくり回しました。フィラデルフィアのベルテレフォンの電気技師としてスタートした彼の父親は、後に家族を街から引っ越してオーディオエレクトロニクスショップを始めました。 10歳または11歳のとき、ストラーノは塩水を電気分解する方法を考え出し、塩水に電流を流して水素ガスを放出し、それを冷凍庫のガラス瓶に保管しました。兄のジョンが実際に水素を捕獲したかどうかを質問したとき、ストラーノは、キャップに熱線を挿入してガスに点火することで、スナップルボトルを100フィート空中に発射できることを示しました。その後、誰もが恐れていたと彼は言います。しかし、私にとっては、それはほとんど魔法のようでした。私はこの澄んだガスを取り、人々を驚かせることができました。
ストラノが12歳のとき、父親は心臓発作で突然亡くなり、母親には5人の子供が残りました（ストラノは2番目に年長でした）。私たちは苦労しました、と彼は言います。そして、科学はそのすべてからの生産的な出口でした。 1993年に、彼は家族の一員として大学に通う最初のメンバーになりました。ブルックリン工科大学では、化学工学に専念しました。彼は、強力な数学的および分析的基盤を提供したことで学校の功績を認めています。それは、教えることを強調し、学生を厳格な基準に従わせるような場所でした。クラス全体がBより高くなることはないかもしれないと彼は言います。
エンジニアは、技術の出発点として植物を見るように訓練されていません。
1997年、Stranoはデラウェア大学で博士号を取得し、化学反応を促進する可能性のある多孔質炭素膜の製造に取り組んでいます。彼はまた、DuPontが後援するプロジェクトに取り組み、そのプロジェクトのために、加圧空気から窒素と酸素を分離できる膜を設計しました。事実上すべての博士課程の同僚が産業界で仕事をしている間、ストラーノは学界でのキャリアを追求することを決心し、ヒューストンのライス大学でポスドクになりました。
ライス大学で、ストラーノは、バッキーボールと呼ばれる炭素の形態に関する研究でノーベル賞を受賞した化学者、リチャードスモーリーの研究室に加わりました。私は研究室で唯一のポスドクでした、ストラーノは回想し、スモーリーは悪名高い要求があり、他のすべてのポスドクを追い払ったと説明しました。それでも、彼はスモーリーの下で成功し、ナノ粒子にレーザーを当てて、それらの発光特性について学びました。特に、彼はスペクトルの近赤外部分で発光する粒子に焦点を合わせました。人体は近赤外光に対して透明であるため、この特性は彼を重要なものとして印象づけました。
2006年にイリノイ大学アーバナシャンペーン校の助教授になったとき、ストラーノはこれらのナノ粒子を体内に導入して、センサーとして機能し、分子に結合し、皮膚を介して情報を伝達できるかどうかを調査することにしました。蛍光の。彼が新しい研究室を設立するとき、彼はそのビジョンに専念しました。当時、それは壁を越えたアイデアでした、と彼は言い、ナノ粒子がセンサーとして効果的に役立つことができるかどうか、あるいはそれらが安全であるかどうかについてさえほとんど研究が行われていなかったと述べました。 （ある懐疑的な初期のレビューアは、そのようなナノセンサーを開発するというアイデアを、人体に缶切りを入れることに例えました。）Stranoのアプローチは、カーボンナノチューブを取り、グルコースに結合してさまざまな糖濃度に反応するポリマーでコーティングすることでした。患者が身に付けている外部デバイスが皮膚を通して光を当てると、ナノ粒子が蛍光を発し、これらのグルコース濃度に応じて特徴が変化しました。 （彼はまた、ナノ粒子が安全に見えることを示すために動物実験を行いました。）ストラノは、埋め込み型センサーが妻の甥のような糖尿病患者を助けると信じていたため、早い段階でブドウ糖に焦点を合わせました。彼の短期的な目標は、血糖値を測定するために頻繁に固執する必要をなくすことでした。しかし、最終的な目標は、血糖値を測定できる人工膵臓を開発することです と インスリンをリアルタイムで送達します。
2007年、ストラーノはMITに採用され、わずか2年で在職しました。彼はナノセンサーの研究を続け、2009年に彼は一種の入れ墨として皮下に注入されたカーボンナノチューブが血糖値を測定するために使用できることを示しました。時が経つにつれて、彼は他の多くのセンサーも開発しました。この技術は、血液凝固に重要なフィブリノーゲンや、心臓血管系などで重要なシグナル伝達分子として機能する一酸化窒素などの分子を検出しました。彼はまた、センサーの感度を上げるために働きました。今年の論文で ネイチャーナノテクノロジー 、彼は単一のタンパク質分子を識別できるセンサーを発表しました。
サーモパワー
マサチューセッツ工科大学での早い時期に、ストラーノはまた、まったく偶然に、エネルギー生成の新しいメカニズムを発見しました。 2008年に、彼は、化学的トリガーに迅速に応答する新しいアクチュエータを開発するために、米国空軍によって資金提供されたプロジェクトに取り組み始めました。作業の一環として、彼は爆発性のTNTをカーボンナノチューブの表面の周りに配置し、その環境での発火速度を観察しました。しかし、彼が測定を行ったとき、彼はその反応がまた大きくて予想外の電気パルスを生成していることに気づきました。言い換えれば、カーボンナノチューブの表面でのTNTの反応は、熱を反応から電気に変換しているように見え、当時の科学理論よりもはるかに大きな電力のバーストを生成していました。
ストラーノはこの現象を最初に観察し、それを熱電波と呼んだ。オーストラリアのRMIT大学の先端電子センサーセンターの所長であるKouroshKalantar-Zadehは、揮発性の化学反応を非常に高出力の電気パルスに変換するための新しくてエキサイティングなアイデアでした。化学者に対する理論的な関心に加えて、この発見は新しい電源への扉を開きました。状況によっては、研究者や消費者は、短期間に大量の電力を供給できる電源を必要とする場合があります。熱電波はこれを可能にし、理論的にはエネルギーを失うことなく無期限に使用されないままにすることができます。貯蔵のために化学結合に依存しているため、このメカニズムを使用する電源は、たとえば、ゆっくりと放電して死んでしまうリチウムイオン携帯電話のバッテリーというよりも、ガスタンクの燃料に似ているとStrano氏は言います。最近、彼はまた、爆発物や高温を使用せずに熱電波を生成できることを示しました。具体的には、彼はアセトニトリルをナノチューブ上に置き、それを蒸発させました。その化学変化は、電流を生成するのに十分であることがわかりました。 Stranoや世界中の人々は、熱電波を利用する可能性のある単純なデバイスの実験を開始しましたが、アプリケーションはまだ初期段階にあると彼は言います。
Stranoの研究室では、ホウレンソウとルッコラの苗木にナノ粒子を注入し、化学物質を感知したり光を放出したりする植物を作成しました。
バイオニック植物
ストラーノは、2009年に最初に彼の驚異的な想像力を植物生物学に向けました。当初、彼は、重要なタンパク質を再生する植物の驚くべき能力が、太陽エネルギーの問題の解決策を刺激する可能性があると考えました。エネルギー。 2010年、Stranoのチームは、溶液に保持された合成分子のセットを開発しました。これらの分子は、自発的に光起電構造に組み立てられます。界面活性剤を溶液に加えると細胞は破壊されますが、界面活性剤がろ過されるとすぐに再集合します。その後まもなく、彼は植物の他の生理学的能力に焦点を合わせ始めました。たとえば、植物は独自の力を生み出し、独自の水を汲み上げ、生産するよりも多くの二酸化炭素を消費します。私の分野では、エンジニアは技術の出発点として植物を見るように訓練されていません、とStranoは言います。しかし、彼はそれらを内部で流体を輸送するメカニズムを備えたマイクロ流体ネットワークと考え始めましたが、光合成が行われる構造である葉緑体は化学電池に例えることができます。私のようなエンジニアにとって非常に魅力的な植物についての単純化された視点をまとめることができます、と彼は言います。
2011年、Stranoは生物学者のJuan PabloGiraldoをポスドクとして採用しました。現在カリフォルニア大学リバーサイド校の助教授であるGiraldoは、ナノマテリアルと生きている有機物の世界を融合するのを助けるためにエネルギーを感じたと言います。 2014年の論文で ネイチャーマテリアルズ 、チームは、植物が気孔と呼ばれる葉の下側の細孔からカーボンナノ粒子を取り込み、これらの粒子が植物の葉緑体に入ることを示しました。この発見に続いて、研究者たちは、植物が通常は利用しない光の波長を葉が吸収できるようにするナノ粒子を導入し、光合成範囲を効果的に拡大しました。研究者たちはまた、抗酸化剤として機能し、日光への集中的な曝露によって引き起こされる損傷から葉緑体を保護する粒子を供給しました。その結果、彼らは植物の光合成の可能性を30パーセント高めることができました。この発見は、理論的には、植物が可視範囲の限られた光を受け取り、他の波長を利用する能力から利益を得る可能性がある高密度環境で植物がより良く成長するのを助けるために使用できます。
同じ論文で、Strano、Giraldo、および彼らの同僚は、植物を酸性雨の原因となる汚染物質である一酸化窒素のセンサーに変えることができることも示しました。研究者たちは、一酸化窒素と選択的に相互作用できるポリマーでナノ粒子を包み、それらの粒子を植物に導入することによってこれを行いました。一酸化窒素が存在するとき、それは下にあるナノ粒子が光を放出する方法を変えました。 2016年、Stranoのグループは、選択的なポリマーでコーティングされたカーボンナノチューブを葉に組み込むことにより、ほうれん草の葉を爆発物の一種である芳香族ニトロ化合物のセンサーに変えました。理論的には、芳香族ニトロ化合物が地下水に存在する場合、植物はそれらを検出し、小型コンピューターに接続された赤外線カメラや赤外線フィルターのない携帯電話などの近くのデバイスに通知を送信できます。 （このシステムの実際的な関連性は完全には明らかではありませんが、地下水中の地雷や汚染物質を検出するためのアプローチを示唆しています。）
ストラーノは、この植物の仕事は、11、9、7、4歳の娘たちと話し合うのに特に満足していると言います。バイオニック植物—これは実際には7歳の子供との会話です、と彼は言います。ストラノと彼の家族は、優れた公立学校があるマサチューセッツ州レキシントンに住んでいます。しかし、彼の長女は就学前の年齢であったため、彼と彼の妻、元数学者のサリーは、代わりに子供たちをホームスクーリングすることを選択しました。彼らは、週に1回会合し、何らかの構造を提供するホームスクーリング協同組合に属していますが、彼らのアプローチの多くは自由奔放です（Stranoが毎日の訓練を必要とする数学を除いて）。少女たちは図書館で長い時間を過ごし、独立して読書をしています。彼らのうちの2人は最近、日本への旅行で父親に同行し、そこで彼らは日本の文化と言語のいくつかの単語について学びました。
もちろん、ストラーノは子供たちに科学を教えることに特に興奮しています。私は自分の任務を真剣に受け止めています、と彼は言います。私には4人の女の子がいて、全員がSTEMに参加することを保証することはできませんが、その方向に進んでいます。彼と彼の妻は、子供たちに実験を計画し、興味のある調査分野を追求するように勧めています。ホイットリングとクラフトが好きな11歳の子供は、コーンスターチベースのスライムが傾斜面を滑り落ちる方法についてプロジェクトを行いました。鳥が大好きな9歳の子供は、タイムラプスカメラを使用して、鳥の餌箱でどの種が一緒に餌を食べているかを調べました。少女たちはまた、ストラーノの研究室を定期的に訪れ、父親のプロジェクトを直接見ています。
研究室で進行中のより遊び心のある追求の中には、植物から作られた電子機器があります。 Stranoと彼の学生は、通常、赤外線エネルギーを使用して通信するリモコンに特に焦点を当てています。植物をナノ粒子で修飾して、たとえば消費者がテレビの電源を入れたいという要望に応えて、キューで赤外線エネルギーを放出するようにすることで、研究者は植物がこれらのガジェットと同じ機能を果たすことができるようになるかもしれません。 Strano氏は、現在プラスチックで打ち抜かれているデバイスの一部を交換できると考えており、より環境に配慮したクラスの電子機器を作成することが目標であると付け加えています。ただし、リモコンを模倣する際の課題は、信号がミリ秒単位の非常に高速に発生し、植物がそれほど速く移動することを好まないことです。 （人間の所有者が休暇をとるときに水を必要とする植物ベースの電子機器の運命についても疑問に思います。デバイスは自分で水をやらなければならないでしょう、とStranoは言います。）
2年生の大学院生であるマイク・リーは、研究室の地下に金魚の大きな水槽を維持し、ストレスホルモンまたはコルチゾールの濃度を感知するためにそれらに注入できるナノ粒子ベースのセンサーを開発する責任があります。このプロジェクトは、サウジアラビアのキングアブドラ科学技術大学の科学者との共同作業であり、彼らは魚を紅海に放流し、環境条件に応じてコルチゾールレベルを分析することを計画しています。
ごく最近、Stranoは、カーボンナノチューブの範囲内での水自体の挙動について驚くべき発見をしました。に掲載された論文で ネイチャーナノテクノロジー 11月に、彼は、少なくとも105°Cまでの温度で、非常に特定の直径のナノチューブの内部で、水が氷のように固体を形成することを示しました。流体が閉じ込められた環境にあるとき、その相挙動は歪められますが、これは極端なケースです、と彼は言います。研究者は、固体の水でできた小さなワイヤーを作成できるかもしれません。これは、室温で安定しており、水が行うことが知られているように、高効率でプロトンを伝導します。これは、たとえば、より優れた水素燃料電池の開発に役立つ可能性があります。ストラーノ氏は、氷のナノワイヤーの特性を探求することに興奮していると述べていますが、陪審員はそれらが役立つかどうかを判断していると付け加えています。