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De Bottle Rockets a Bionic Spinach
Michael Strano lanzó cohetes alimentados con hidrógeno cuando era niño. Hoy, su laboratorio está desarrollando nanosensores, plantas biónicas, cables de hielo a nanoescala y una nueva fuente de energía. 22 de febrero de 2017
Para un laboratorio de ingeniería química, el espacio de trabajo de Michael Strano tiene una variedad inusual de vegetación: espinacas, berros y rúcula. Strano ha introducido nanopartículas en las plantas, a través de sus hojas, para dotarlas de nuevas capacidades. No querrías comerlos, dice, señalando las exuberantes verduras para ensalada. Este está diseñado para brillar como una lámpara de escritorio, y ese está tratando de hablar con su teléfono celular. También ha creado plantas de espinacas que pueden detectar explosivos en el suelo y transmitir esa información a un observador remoto.
Strano ha trabajado durante mucho tiempo con nanotubos de carbono y fue pionero en su uso como sensores en plantas, así como en humanos y animales. También ha utilizado nanopartículas para mejorar las capacidades de las plantas, creando dispositivos que parecen estar al borde de la ciencia ficción, como la planta como lámpara de escritorio. En el camino, descubrió cómo los nanotubos pueden servir como una fuente de energía completamente nueva. Su trabajo abarca la termodinámica, la ciencia de los materiales, la nanotecnología y ahora la biología de las plantas, una confluencia de intereses que sigue siendo poco común en los niveles superiores de la academia.
Tenemos varios ecosistemas funcionando en este laboratorio, dice Mike Lee, un estudiante graduado de Strano que trabaja con sensores en peces. Es un tipo tan apasionado y hay mucho que aprender.
química del patio trasero
La historia de toma de riesgos creativa de Strano comenzó desde el principio. Al crecer en Pensilvania, jugó con la química y la electrónica. Su padre, que comenzó como electricista para Bell Telephone en Filadelfia, luego se mudó con la familia fuera de la ciudad para abrir una tienda de productos electrónicos de audio. A los 10 u 11 años, Strano descubrió cómo electrolizar agua salada, haciendo pasar una corriente a través de ella para liberar gas hidrógeno, que almacenó en botellas de vidrio en el congelador. Cuando su hermano mayor, John, cuestionó si, de hecho, había capturado hidrógeno, Strano demostró que al insertar un cable caliente a través de la tapa para encender el gas, podía disparar una botella de Snapple a 100 pies en el aire. Después de eso, todos estaban aterrorizados, dice. Pero para mí fue casi como magia. Podría tomar este gas claro y asombrar a la gente.
Cuando Strano tenía 12 años, su padre murió repentinamente de un ataque al corazón, dejando a su madre con cinco hijos (Strano era el segundo mayor). Luchamos, dice. Y la ciencia era una salida productiva de todo eso. En 1993, se convirtió en el primer miembro de su familia en asistir a la universidad, la Politécnica de Brooklyn, donde se especializó en ingeniería química. Él le da crédito a la escuela por proporcionar una sólida base matemática y analítica. Era el tipo de lugar que enfatizaba la enseñanza y exigía a los estudiantes estándares rigurosos: toda la clase podría obtener nada más alto que una B, dice.
Los ingenieros no han sido capacitados para considerar las plantas como el punto de partida de la tecnología.
En 1997, Strano comenzó un doctorado en la Universidad de Delaware, trabajando para hacer membranas de carbono porosas que pudieran facilitar las reacciones químicas. También trabajó en un proyecto, patrocinado por DuPont, para el que diseñó una membrana que podía separar el nitrógeno y el oxígeno del aire presurizado. Si bien prácticamente todos sus colegas de doctorado obtuvieron trabajos en la industria, Strano decidió seguir una carrera en el mundo académico y obtuvo una beca posdoctoral en la Universidad Rice, en Houston.
En Rice, Strano se unió al laboratorio de Richard Smalley, un químico que ganó el Premio Nobel por su trabajo sobre una forma de carbono llamada buckyballs. Yo era el único posdoctorado en el laboratorio, recuerda Strano, explicando que Smalley, notoriamente exigente, había ahuyentado a todos los demás posdoctorados. Aún así, se las arregló para prosperar con Smalley, dirigiendo láseres a nanopartículas para aprender sobre sus propiedades de emisión de luz. En particular, se centró en las partículas que emiten luz en la porción del espectro del infrarrojo cercano. Esta propiedad le pareció significativa porque el cuerpo humano es transparente a la luz del infrarrojo cercano.
Cuando se convirtió en profesor asistente en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en 2006, Strano decidió investigar si podía introducir estas nanopartículas en el cuerpo, donde podrían actuar como sensores, uniéndose a moléculas y transmitiendo información a través de la piel a través de de fluorescencia Mientras instalaba su nuevo laboratorio, se dedicó a esa visión. En ese entonces, era una idea fuera de lo común, dice, y señala que se había hecho poco trabajo sobre si las nanopartículas podrían servir de manera efectiva como sensores, o incluso si serían seguras. (Un crítico inicial escéptico comparó la idea de desarrollar tales nanosensores con poner un abrelatas en el cuerpo humano). El enfoque de Strano fue tomar nanopartículas de carbono y recubrirlas con un polímero que pudiera unirse a la glucosa y responder a diferentes concentraciones de azúcar. Cuando un dispositivo externo usado por el paciente brilló luz a través de la piel, hizo que las nanopartículas emitieran fluorescencia, con firmas que variaban según estas concentraciones de glucosa. (También realizó experimentos con animales para demostrar que las nanopartículas parecían seguras). Al principio, Strano se centró en la glucosa porque creía que los sensores implantables ayudarían a las personas con diabetes, como el sobrino de su esposa. Su objetivo a corto plazo era eliminar la necesidad de que se pincharan con frecuencia para medir el azúcar en la sangre. Pero el objetivo final es desarrollar un páncreas artificial que pueda medir el azúcar en la sangre. y administrar insulina en tiempo real.
En 2007, Strano fue contratado por el MIT, donde obtuvo un puesto en solo dos años. Continuó el trabajo sobre nanosensores, y en 2009 demostró que los nanotubos de carbono inyectados debajo de la piel como una especie de tatuaje podrían usarse para medir los niveles de glucosa en sangre. Con el tiempo, también desarrolló una gran cantidad de otros sensores. La tecnología detectó moléculas como el fibrinógeno, que es importante para la coagulación de la sangre, y el óxido nítrico, que sirve como molécula de señalización clave en el sistema cardiovascular y en otros lugares. También trabajó para aumentar la sensibilidad de sus sensores. En un artículo de este año en Naturaleza Nanotecnología , dio a conocer sensores que podrían identificar moléculas de proteína individuales.
TERMOPODER
Al principio de su tiempo en el MIT, Strano también descubrió un nuevo mecanismo para la generación de energía, completamente por accidente. En 2008, comenzó a trabajar en un proyecto, financiado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, para desarrollar actuadores novedosos que respondieran rápidamente a un disparador químico. Como parte del trabajo, colocó el explosivo TNT alrededor de la superficie de los nanotubos de carbono para observar la velocidad a la que se encendía en ese entorno. Sin embargo, mientras tomaba las medidas, notó que la reacción también estaba produciendo un pulso eléctrico grande e inesperado. En otras palabras, la reacción de TNT en la superficie de un nanotubo de carbono parecía estar convirtiendo el calor de la reacción en electricidad, generando explosiones de energía mucho más grandes de lo que predijo la teoría científica en ese momento.
Strano fue el primero en observar este fenómeno, al que denominó onda termoeléctrica. Fue una idea nueva y emocionante para transformar una reacción química volátil en un pulso de electricidad de muy alta potencia, dice Kourosh Kalantar-Zadeh, director del Centro de Electrónica y Sensores Avanzados de la Universidad RMIT en Australia. Además del interés teórico que tuvo para los químicos, el descubrimiento ha abierto la puerta a nuevas fuentes de energía. En algunos contextos, los investigadores o los consumidores pueden querer fuentes capaces de proporcionar grandes cantidades de energía durante cortos períodos de tiempo. Las ondas termoeléctricas harían esto posible y, en teoría, podrían permanecer inutilizadas por períodos indefinidos sin perder energía. Debido a que dependen de enlaces químicos para el almacenamiento, las fuentes de energía que usan este mecanismo serían más como combustible en un tanque de gasolina que, digamos, una batería de teléfono celular de iones de litio que se descarga lentamente y se agota, dice Strano. Recientemente, también ha demostrado que se pueden generar ondas termoeléctricas sin el uso de explosivos o altas temperaturas. Específicamente, colocó acetonitrilo en nanotubos y permitió que se evaporara; resulta que ese cambio químico es suficiente para generar la corriente eléctrica. Strano y otros en todo el mundo han comenzado a experimentar con dispositivos simples que podrían hacer uso de ondas termoeléctricas, pero dice que las aplicaciones aún se encuentran en etapas iniciales.
El laboratorio de Strano ha infundido nanopartículas en plántulas de espinaca y rúcula, creando plantas que detectan sustancias químicas o emiten luz.
PLANTAS BIÓNICAS
Strano dedicó por primera vez su prodigiosa imaginación a la biología vegetal en 2009. Inicialmente, dice, pensó que la notable capacidad de las plantas para regenerar proteínas clave podría inspirar soluciones a un problema de la energía solar: la exposición a la luz solar degrada gradualmente muchos materiales utilizados para capturar la energía solar. energía. En 2010, el equipo de Strano desarrolló un conjunto de moléculas sintéticas que, contenidas en una solución, pueden ensamblarse espontáneamente en una estructura fotovoltaica; la celda se descompone cuando se agrega un surfactante a la solución, pero se vuelve a ensamblar rápidamente una vez que se filtra el surfactante. Poco después, comenzó a centrarse en otras capacidades fisiológicas de las plantas: por ejemplo, producen su propia energía, bombean su propia agua y consumen más dióxido de carbono del que producen. En mi campo, los ingenieros no han sido capacitados para considerar las plantas como el punto de partida de la tecnología, dice Strano. Pero comenzó a pensar en ellos como redes de microfluidos que tienen un mecanismo para transportar fluidos internamente, mientras que sus cloroplastos, las estructuras donde se lleva a cabo la fotosíntesis, pueden compararse con baterías químicas. Puede armar una perspectiva simplificada de las plantas que tiene un gran atractivo para los ingenieros como yo, dice.
En 2011, Strano contrató al biólogo Juan Pablo Giraldo como becario posdoctoral. Giraldo, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de California en Riverside, dice que se sintió motivado para ayudar a fusionar los mundos de los nanomateriales y la vida orgánica. En un artículo de 2014 en Materiales de la naturaleza , el equipo demostró que las plantas absorberían nanopartículas de carbono a través de los poros en la parte inferior de sus hojas, llamados estomas, y que estas partículas luego entrarían en los cloroplastos de las plantas. Después de este descubrimiento, los investigadores introdujeron nanopartículas que permitieron que las hojas absorbieran longitudes de onda de luz que las plantas normalmente no utilizan, expandiendo efectivamente su rango fotosintético. Los investigadores también suministraron partículas que sirven como antioxidantes y, por lo tanto, protegen los cloroplastos del daño causado por la exposición intensa a la luz solar. Como resultado, pudieron aumentar el potencial fotosintético de las plantas en un 30 por ciento. En teoría, este hallazgo podría usarse para ayudar a las plantas a crecer mejor en entornos de alta densidad, donde reciben luz limitada en el rango visible y podrían beneficiarse de la capacidad de aprovechar otras longitudes de onda.
En el mismo artículo, Strano, Giraldo y sus colegas también demostraron que podían convertir plantas en sensores de óxido nítrico, un contaminante que contribuye a la lluvia ácida. Los investigadores hicieron esto envolviendo nanopartículas en polímeros que podrían interactuar selectivamente con el óxido nítrico y luego introduciendo esas partículas en las plantas. Cuando el óxido nítrico estaba presente, cambiaba la forma en que las nanopartículas subyacentes emitían luz. En 2016, el grupo de Strano convirtió hojas de espinaca en sensores para compuestos nitroaromáticos, un tipo de explosivo, mediante la incorporación de nanotubos de carbono recubiertos con polímeros selectivos en las hojas. En teoría, si los nitroaromáticos estuvieran presentes en el agua subterránea, las plantas podrían detectarlos y enviar una notificación a un dispositivo cercano, como una cámara infrarroja conectada a una computadora pequeña, o incluso un teléfono celular sin filtro infrarrojo. (La relevancia práctica de este sistema no está del todo clara, pero sugiere un enfoque para detectar minas terrestres o contaminantes en las aguas subterráneas).
Strano dice que este trabajo de la planta es especialmente gratificante para discutir con sus hijas, que tienen 11, nueve, siete y cuatro años. Plantas biónicas, ahora que en realidad es una conversación que puedes tener con un niño de siete años, dice. Strano y su familia viven en Lexington, Massachusetts, que cuenta con excelentes escuelas públicas; pero como su hija mayor tenía la edad suficiente para ir al preescolar, él y su esposa, Sally, una ex matemática, optaron por educar a los niños en casa. Pertenecen a una cooperativa de educación en el hogar, que se reúne una vez a la semana y brinda cierta estructura, pero gran parte de su enfoque es libre (con la excepción de las matemáticas, que según Strano requiere ejercicios diarios). Las niñas pasan largas horas en la biblioteca, leyendo de forma independiente. Dos de ellos acompañaron recientemente a su padre en un viaje a Japón, donde aprendieron sobre la cultura japonesa y algunas palabras del idioma.
Por supuesto, Strano está especialmente emocionado de enseñar ciencia a los niños. Me tomo mi mandato en serio, dice. Tengo cuatro niñas y no puedo garantizar que todas vayan a STEM, pero se está encaminando en esa dirección. Él y su esposa alientan a los niños a diseñar experimentos y seguir cualquier área de investigación que les interese. El niño de 11 años, a quien le gusta tallar y hacer manualidades, hizo un proyecto sobre cómo la baba a base de almidón de maíz se desliza por un plano inclinado. El niño de nueve años, que ama las aves, usó una cámara de lapso de tiempo para estudiar qué especies se alimentaban juntas en un comedero para pájaros. Las niñas también hacen visitas regulares al laboratorio de Strano, donde tienen una visión de primera mano de los proyectos de su padre.
Entre las actividades más divertidas que se llevan a cabo en el laboratorio se encuentran los dispositivos electrónicos hechos de plantas. Strano y sus alumnos se están enfocando en particular en los controles remotos, que normalmente se comunican usando energía infrarroja. Al modificar las plantas con nanopartículas para que liberen energía infrarroja en el momento justo, en respuesta, por ejemplo, al deseo de un consumidor de encender el televisor, los investigadores podrían permitir que las plantas cumplan la misma función que estos dispositivos. Creemos que podemos reemplazar algunos de los dispositivos que actualmente están hechos de plástico, dice Strano, y agrega que el objetivo es crear una clase de electrónica más ecológica. Sin embargo, un desafío al imitar los controles remotos es que su señalización ocurre muy rápidamente, del orden de milisegundos, y a las plantas no les gusta moverse tan rápido. (Uno también se pregunta sobre el destino de los productos electrónicos basados en plantas, que requieren agua, cuando sus dueños humanos se van de vacaciones. Los dispositivos tendrían que regar solos, dice Strano).
Mike Lee, quien es un estudiante graduado de segundo año, es responsable de mantener un gran acuario de peces dorados en el sótano del laboratorio y desarrollar sensores basados en nanopartículas que pueden inyectarse en ellos para detectar sus concentraciones de hormona del estrés o cortisol. El proyecto es una colaboración con científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita, que planean liberar peces en el Mar Rojo, analizando sus niveles de cortisol en respuesta a las condiciones ambientales.
Más recientemente, Strano hizo un descubrimiento sorprendente sobre el comportamiento del agua dentro de los límites de los nanotubos de carbono. En un artículo publicado en Naturaleza Nanotecnología en noviembre, demostró que dentro de un nanotubo de un diámetro muy específico, a temperaturas de al menos 105 °C, el agua formaba un sólido, muy parecido al hielo. Cuando el fluido está en un entorno confinado, su comportamiento de fase se distorsiona, pero este es un caso extremo, dice. Los investigadores podrían crear diminutos cables hechos de agua sólida, que serían estables a temperatura ambiente y conducirían protones con alta eficiencia, como se sabe que hace el agua. Esto podría, por ejemplo, resultar útil para desarrollar mejores celdas de combustible de hidrógeno. Strano dice que está emocionado de explorar las propiedades de los nanocables de hielo, pero agrega que no se sabe si serán de alguna utilidad.