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TR 100 Nanotecnología
La nanotecnología, la ciencia de construir y manipular estructuras a nivel molecular, promete nuevas perspectivas y soluciones inesperadas a una amplia gama de problemas existentes en semiconductores, óptica, sensores y biotecnología. Muchos de los galardonados con el TR100 de este año, decididos a hacer nuevos avances, están recurriendo a la nanotecnología para obtener un nivel sin precedentes de precisión, control y flexibilidad en la creación de nuevos materiales y dispositivos. Los nanomateriales inventados por este grupo de élite prometen de todo, desde dispositivos electrónicos más rápidos y pequeños hasta terapias más eficaces y dirigidas. Cuando llegas a las escalas de nano longitud, puedes obtener propiedades únicas, dice Yi Cui de la Universidad de California, Berkeley. La categoría Nanotech + del TR100 incluye una amplia gama de innovaciones e investigación en ciencia de materiales y energía. Pero es en la escala de los ultrapequeños que muchos de los TR100 de este año están haciendo sus mayores contribuciones.
Gran parte de la acción se encuentra en biomedicina. Eso se debe a que los nanomateriales tienen el tamaño adecuado para interactuar con actores biológicos importantes, como proteínas, moléculas de ADN y virus. Aplicar la nanotecnología a los problemas biomédicos es algo natural, dice Darrell Irvine , profesor de ingeniería biomédica en el MIT.
Irvine está ayudando a crear mejores vacunas contra enfermedades como la malaria y el cáncer mediante el diseño de nanopartículas de un polímero sintético. Las nanopartículas, que transportan moléculas estimulantes y antígenos específicos, son absorbidas por las células inmunitarias, lo que desencadena una respuesta inmunitaria. Debido a su pequeño tamaño, las nanopartículas pueden entregar las moléculas con un alto nivel de precisión a receptores específicos dentro de las células. Eso significa un mejor control de la fuerza y el tipo de respuesta inmune resultante, lo que debería hacer que las vacunas sean más efectivas. Irvine ha comenzado recientemente a trabajar con investigadores médicos de la Universidad de Harvard para investigar materiales que podrían usarse para administrar una vacuna contra el VIH.
Albena Ivanisevic , profesor de química en la Universidad de Purdue, está empleando una técnica llamada nanolitografía con lápiz de inmersión para ayudar a resolver un problema central para los ingenieros de tejidos que esperan reparar partes dañadas del cuerpo: controlar el crecimiento preciso de células en ubicaciones específicas. Ivanisevic recubre las puntas microscópicas con moléculas peptídicas que nutren las células; las puntas depositan los péptidos en una superficie. La capacidad de organizar esas moléculas de péptidos con precisión a nanoescala le da a Ivanisevic un mayor control sobre cómo y dónde crecerán las células en la superficie, formando finalmente tejido nuevo para el cuerpo.
La nanotecnología también abre nuevas posibilidades para quienes trabajan para explotar o manipular la luz de manera más eficaz. Como sospecharía cualquiera que haya tenido que cambiar una bombilla, la iluminación incandescente convencional se basa en una tecnología de 150 años de antigüedad, y los investigadores están buscando ansiosamente nuevas formas de extender la vida útil y aumentar la eficiencia de los materiales emisores de luz. Uno de los juguetes favoritos de los investigadores en el campo son los puntos cuánticos, nanopartículas de material semiconductor que emiten diferentes colores de luz según su tamaño. Y Vladimir Bulovic , profesor de ingeniería eléctrica en el MIT, está utilizando estos nanopuntos resistentes y de colores brillantes para reinventar la bombilla. A partir de puntos cuánticos, Bulovic ha construido novedosos diodos emisores de luz que se pueden incorporar en materiales flexibles como el plástico y deberían durar mucho más que las bombillas típicas. Mientras que otros, incluido el propio Bulovic, ya han desarrollado diodos emisores de luz orgánicos, Bulovic dice que los puntos cuánticos pueden extender su vida útil, haciéndolos más utilizables. Espera producir un material flexible emisor de luz altamente eficiente y duradero en los próximos uno o dos años.
Marcel Bruchez , científico líder en desarrollo de productos en Quantum Dot de Hayward, CA, también está reclutando las nanopartículas brillantes, pero para imágenes biológicas y el desarrollo de diagnósticos. Los puntos cuánticos emiten luz durante mucho más tiempo que los tintes convencionales utilizados para rastrear la actividad dentro de las células vivas, y sus variados colores significan que los investigadores pueden obtener imágenes de múltiples eventos simultáneamente y obtener una mayor comprensión del funcionamiento interno de las células. Para Bruchez, el beneficio de trabajar con nanomateriales es que abren formas completamente nuevas de pensar sobre los problemas. Te da una mayor flexibilidad para manipular los materiales y ponerlos donde quieres que vayan, dice Bruchez.
Los investigadores en electrónica que buscan circuitos cada vez más pequeños y rápidos también están avanzando con la ayuda de la nanotecnología. La industria del silicio ya está en el régimen nano, señala Kinneret Keren, investigador de la Universidad de Stanford. Ahora están intentando más para el régimen molecular. Eso significa usar moléculas como nanotubos de carbono para construir circuitos eléctricos de próxima generación. Mientras que otros investigadores ya han hecho transistores a partir de nanotubos semiconductores individuales, Keren decidió abordar el proceso de ensamblaje de dichos transistores. Su truco consistía en unir piezas complementarias de ADN a un nanotubo ya una oblea de silicio; debido a que las dos piezas de ADN se unieron naturalmente entre sí, hicieron el trabajo de unir el nanotubo y la oblea para producir un transistor. Si bien el proceso de Keren sigue siendo una hazaña de laboratorio, eventualmente podría ofrecer un nuevo método para fabricar de manera eficiente circuitos diminutos en los que cada transistor es una sola molécula.
Mientras que investigadores como Keren reclutan biomoléculas para ayudar a fabricar productos electrónicos, Mayank Bulsara se apega al silicio tradicional, pero lo manipula de nuevas formas. Bulsara, cofundador y director de tecnología de AmberWave Systems de Salem, NH, está desarrollando una nueva forma de silicio que promete hacer chips de computadora un 20 por ciento más rápidos y reducir el consumo de energía entre un 30 y un 40 por ciento. La clave es estirar un cristal de silicio separando sus átomos solo unas milésimas de nanómetro, como una goma elástica, dice Bulsara. Este estiramiento altera las propiedades del material, de modo que los electrones que lo atraviesan tienen menos probabilidades de chocar con los átomos de silicio, dispersarse y ralentizarse. Bulsara espera tener chips que contengan silicio estirado en el mercado en grandes cantidades para fines del próximo año.
Los TR100 de este año recién están comenzando a demostrar los resultados de las incursiones de la nanotecnología en nuevos territorios emocionantes, pero llevar su trabajo al mundo real plantea sus propios problemas. El mayor desafío es encontrar formas de producir nanomateriales en áreas suficientemente grandes, dice Bulovic. Pero cuando finalmente se supere ese desafío, no se sorprenda si las estrellas en ascenso sobre las que leerá en las próximas páginas estuvieran entre las que ayudaron a señalar el camino.
Startups TR100 en Nanotecnología + | ||
Innovador | Empresa fundada / cofundada | Tecnología / Hitos |
Marcel Bruchez | Punto cuántico (Hayward, CA) | Nanocristales fluorescentes de material semiconductor para diagnóstico y etiquetado biológico; más de 1000 clientes |
Mayank Bulsara | Sistemas AmberWave (Salem, NH) | Silicio tenso para dispositivos basados en semiconductores más rápidos y que consumen menos energía; Los productos que contienen la tecnología podrían estar ampliamente disponibles a finales de 2005. |
Leroy ohlsen | Sistemas de energía de Neah (Bothell, WA) | Pilas de combustible a base de silicio para ordenadores portátiles y otros dispositivos electrónicos portátiles; primer producto podría estar en el mercado en 2006 |
Perfiles de nanotecnología
Marcel Bruchez
Edad: 31 | Cofundador y científico principal del personal | Punto cuántico
Hace seis años, Marcel Bruchez, entonces estudiante de posgrado en la Universidad de California, Berkeley, demostró que los puntos cuánticos (partículas brillantes de solo nanómetros de ancho) podían usarse para etiquetar proteínas dentro de las células. En meses, Bruchez había cofundado Quantum Dot para comercializar la nueva herramienta de imágenes entre biólogos y desarrolladores de fármacos que buscaban una imagen más detallada de los eventos moleculares. Es una de las primeras aplicaciones comerciales de la nanotecnología, dice Bruchez.
Yi Cui
Edad: 28 | Becario de investigación | Universidad de California, Berkeley
Mientras que algunos investigadores de nanotecnología crean los bloques de construcción básicos de nuevos materiales, otros, como Yi Cui, juegan papeles igualmente importantes en unir esos bloques y dar los siguientes pasos hacia aplicaciones prácticas. La capacidad de Cui para controlar con precisión el ensamblaje de nano bloques de construcción ha llevado a nuevos dispositivos que pueden terminar en chips de detección de cáncer, computadoras cuánticas y células solares.
Como estudiante de doctorado en química en la Universidad de Harvard, Cui hizo un trabajo pionero en nanocables, utilizando una combinación de láseres y vapores químicos para engatusar el silicio y formar pequeños cables que no solo conducían electrones, sino que también podían apagar y encender una corriente como un transistor. Cui incluso fabricó nanocables cuya conmutación dependía de la presencia de proteínas específicas, por lo que podrían servir como biosensores ultrasensibles en pruebas de signos tempranos de cáncer de próstata.
En Berkeley, Cui ha continuado dominando el arte de construir dispositivos funcionales a nanoescala. Más recientemente, ha encontrado formas de unir con precisión nuevos tipos de nano bloques de construcción llamados nanotetrápodos: puntos de material de unos pocos nanómetros de ancho, cada uno con cuatro nanobarras que irradian en diferentes direcciones. Mientras que otros investigadores han fabricado nanotetrápodos anteriormente, Cui puede vincular muchos de ellos para crear una red de circuitos y controlar con precisión sus propiedades eléctricas. Podemos hacer que los nanotetrápodos se autoensamblen en cualquier patrón que necesitemos, incluidas las matrices de transistores, dice Cui. Debido a su pequeño tamaño, estos circuitos podrían, en teoría, ser varias veces más rápidos que los circuitos de los chips de computadora actuales.
Al organizar los nanotetrápodos en redes ramificadas, Cui los ha transformado de un ingrediente en bruto en algo que podría integrarse en dispositivos reales, como las células solares. Y debido a que los nanotetrápodos son lo suficientemente pequeños como para registrar la presencia de electrones individuales, incluso podrían aprovechar las extrañas propiedades cuánticas de las partículas subatómicas, formando la base para nuevos tipos de computadoras que operarán miles de veces más rápido que las máquinas más rápidas de la actualidad. Si bien faltan muchos años para esa aplicación, Cui ya ha demostrado la posibilidad de construir nuevas estructuras utilizando los ingredientes básicos de la nanotecnología.
Leroy ohlsen
Edad: 30 | Fundador y director de tecnología | Sistemas de energía de Neah
Las pilas de combustible que funcionan con metanol pueden alimentar teléfonos móviles y portátiles, pero son caras y no muy potentes. Leroy Ohlsen, fundador de Neah Power Systems de Bothell, WA, reemplazó las membranas de plástico de las células, que extraen electrones del metanol para producir electricidad, con silicio poroso. El silicio no solo nos da más poder, dice Ohlsen, sino que también podría reducir los costos de fabricación. Espere las primeras pilas de combustible de la empresa en 2006.
Molly Stevens
Edad: 30 | Conferenciante | Colegio Imperial de Londres
La científica de materiales Molly Stevens cree que cuando se trata de detectar cambios en el medio ambiente, nada supera a los sistemas biológicos. Es por eso que está recurriendo a moléculas biológicas para crear nanomateriales inteligentes que podrían conducir a nuevos dispositivos implantables de detección y administración de fármacos.
Dichos dispositivos detectarían rápidamente cambios fisiológicos en el cuerpo, como un aumento del colesterol, y responderían liberando la dosis adecuada de un fármaco almacenado. Esa es la visión, al menos. Pero darse cuenta de ello requerirá nuevos tipos de materiales que se comporten de manera diferente bajo diferentes condiciones químicas.
Stevens ha demostrado recientemente que puede controlar el comportamiento de las nanopartículas de oro cambiando el pH de la solución en la que están suspendidas. Ella adjuntó las partículas a moléculas de péptidos especialmente diseñadas que, en las condiciones adecuadas de pH, interactúan entre sí para unir las partículas en una estructura organizada. Un cambio en el pH altera la forma de los péptidos de modo que se repelen entre sí y las partículas se dispersan. Estamos tomando lo mejor de la creatividad de la naturaleza y usándolo para nosotros, dice Stevens.
El experimento muestra que es posible crear materiales que se reforman automáticamente en respuesta a los cambios químicos en el cuerpo. Dicho material podría producir dispositivos de administración de fármacos implantables que actúen como sus propios sensores biológicos.
Stevens está aprovechando la versatilidad de los péptidos para la siguiente etapa de su trabajo. Ahora está modificando los péptidos para que cambien de forma de formas más sutiles y variadas. Un dispositivo de administración de fármacos fabricado con dichos péptidos sería más sensible a los cambios fisiológicos y podría ofrecer más control sobre una multitud de diferentes dosis de fármacos. Si su nuevo proyecto tiene éxito, Stevens habrá desempeñado un papel fundamental en hacer que no solo los nanomateriales, sino también la administración de medicamentos sean mucho más inteligentes.
Vladimir Bulovic
Edad: 34
Profesor asociado, MIT
Utiliza semiconductores orgánicos y nanoestructurados en dispositivos como diodos emisores de luz, láseres, fotodetectores y sensores químicos. Las empresas de nueva creación han obtenido la licencia de muchas de sus 30 patentes estadounidenses.
Mayank Bulsara
Edad: 32
Cofundador y director de tecnología, AmberWave Systems
Cofundó AmberWave, con sede en Salem, NH, para desarrollar silicio tensado, una forma avanzada de silicio que hace que los chips de computadora funcionen más rápido y consuman menos energía.
Dustin Carr
Edad: 34
Miembro principal del personal técnico, Sandia National Laboratories
Crea dispositivos de silicio a nanoescala que pueden detectar movimientos a escala subatómica. Los nanodetectores podrían usarse, por ejemplo, en acelerómetros ultraprecisos para la navegación de aviones.
Martin Culpepper
Edad: 32
Asistante profesor, MIT
Construye las máquinas necesarias para hacer realidad la nanofabricación de alta calidad y bajo costo. Sus nanomanipuladores son más flexibles y ofrecen un mayor rendimiento que las versiones existentes, a una vigésima parte del costo.
La alegría de Delmau
Edad: 33
Miembro del personal de investigación, Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Ayudó a resolver problemas fundamentales en el tratamiento de desechos nucleares que llevaron a un proceso económico para limpiar más de 100,000 metros cúbicos de desechos radiactivos en el sitio del río Savannah en Carolina del Sur, que administra las reservas nucleares de EE. UU.
Martha Gardner
Edad: 33
Estadístico, General Electric
Creé modelos estadísticos y software de diseño para hacer más eficiente el desarrollo de materiales. Con sus métodos, los ingenieros han reducido el tiempo de desarrollo de productos en un 90 por ciento.
Verena Graf
Edad: 32
Ingeniero, DaimlerChrysler
Desarrolla celdas de combustible que son prácticas para impulsar automóviles: son robustas, arrancan rápidamente y tienen una excelente densidad de potencia, independientemente del clima.
Yu Han
Edad: 27
Becario postdoctoral, Instituto de Bioingeniería y Nanotecnología (Singapur)
Partículas a nanoescala sintetizadas con poros diminutos y definidos con precisión. Sus materiales se pueden utilizar para la administración controlada de fármacos o para la terapia génica.
Stefan Hecht
Edad: 30
Profesor asistente, Universidad Libre de Berlín
Ideó una nueva clase de nanotubos poliméricos y otros componentes moleculares. Estos nuevos materiales tienen aplicaciones potenciales en la fabricación de dispositivos electrónicos de tamaño nanométrico.
Darrell Irvine
Edad: 31
Asistante profesor, MIT
Fabrica nanopartículas que liberarían sustancias químicas dentro del cuerpo para programar células inmunes para combatir infecciones virales como el VIH, tolerar trasplantes o incluso destruir tumores malignos.
Rustem Ismagilov
Edad: 31
Profesor asistente, Universidad de Chicago
Desarrolla tecnologías de microfluidos que utilizan gotitas diminutas para caracterizar la función y estructura de las proteínas y modelar procesos bioquímicos complejos. Los modelos de microfluidos deberían proporcionar conocimientos pertinentes para el descubrimiento de fármacos y el diseño de dispositivos médicos.
Albena Ivanisevic
Edad: 29
Profesor asistente, Universidad Purdue
Utiliza puntas microscópicas para depositar patrones precisos de péptidos directamente sobre los tejidos del cuerpo. Su técnica, que está probando en ojos de cerdos, podría ayudar a tratar o incluso curar la ceguera.
Ravi Kane
Edad: 32
Profesor asistente, Instituto Politécnico Rensselaer
Creó un tratamiento de ántrax muy potente en el que cada molécula de fármaco bloquea múltiples moléculas de toxina en lugar de solo una. Está ampliando el concepto a las terapias contra el VIH.
Kinneret Keren
Edad: 32
Becario postdoctoral, Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford
Aprovecha el autoensamblaje basado en biología para construir electrónica molecular. Creó un dispositivo electrónico molecular autoensamblado, un transistor de nanotubos de carbono, utilizando una plantilla de ADN.
Jamie Link
Edad: 26
Estudiante de doctorado, Universidad de California, San Diego
Códigos de barras ópticos grabados en trozos de silicio del tamaño de un micrómetro. Ella espera usar la tecnología para detectar contaminantes en el agua o células cancerosas dentro del cuerpo.
Yueh-Lin (Lynn) Loo
Edad: 30
Profesor asistente, Universidad de Texas en Austin
Impresión por nano transferencia inventada, una técnica ambientalmente benigna para modelar características a nanoescala en circuitos electrónicos orgánicos y de plástico. Este esquema de nano patrones podría usarse para hacer pantallas flexibles de gran área y celdas solares baratas, y podría permitir nuevas terapias y diagnósticos médicos.
Tyler McQuade
Edad: 33
Profesor asistente, Universidad de Cornell
Crea catalizadores para reducir la cantidad de pasos necesarios para sintetizar medicamentos, disminuyendo los subproductos peligrosos para el medio ambiente. Él espera que un sistema lleve la fabricación de Prozac, un fármaco antidepresivo de mayor venta, de cuatro pasos a solo uno.
Teri Odom
Edad: 30
Profesor asistente,
Northwestern University
Silicio estampado para crear minúsculos vasos de precipitados que contienen solo zeptolitros (los nanopozos de silicio tienen solo 50 nanómetros de diámetro), ideales para cultivar nanopartículas individuales de tamaño específico y uniforme. Esta ultraprecisión permite adaptar las partículas a usos especializados, como, por ejemplo, sensores químicos ultrasensibles.
Erik Scher
Edad: 28
Científico de investigación y desarrollo, Nanosys
Funciona con nanomateriales semiconductores inorgánicos que están ayudando a Nanosys, con sede en Palo Alto, CA, a desarrollar células solares flexibles y económicas. El socio de Nanosys, Matsushita, planea incorporar las nano células solares en los materiales de construcción.
Michael extraño
Edad: 28
Profesor asistente, Universidad de Illinois, Urbana-Champaign
Llegó a una nueva comprensión de la química de la superficie de los nanotubos de carbono que permite clasificar los nanotubos de carbono de acuerdo con sus propiedades semiconductoras, metálicas o aislantes. Esto rompe el principal obstáculo que ha impedido el uso de nanotubos en dispositivos.
William Taylor
Edad: 32
Director de ingeniería, ArvinMeritor
Encabeza los esfuerzos para comercializar el plasmatrón, un dispositivo de control de la contaminación que convierte el combustible diesel en hidrógeno, reduciendo las emisiones de óxido de nitrógeno hasta en un 90 por ciento.
Tsuyoshi Yamamoto
Edad: 31
Investigador, NEC
Demostró la primera puerta lógica de dos qubit en un dispositivo de estado sólido, un avance crucial para construir una computadora cuántica ultrarrápida.
Shu Yang
Edad: 33
Profesor asistente, Universidad de Pensilvania
Diseña dispositivos fotónicos inteligentes para computadoras y redes de comunicaciones ultrarrápidas. Mientras estaba en Bell Labs, desarrolló en conjunto una microlente líquida que puede enfocarse electrónicamente en milisegundos para dirigir señales de luz dentro de las fibras ópticas.
Yuankai Zheng
Edad: 34
Científico investigador, Instituto de almacenamiento de datos (Singapur)
Simplificó la producción de RAM magnética, haciendo que esta forma rápida y no volátil de memoria de computadora sea más económica y práctica. Un chip de RAM magnética del tamaño de una miniatura podría almacenar 32 gigabytes de datos.