Blocuri de constructii de fondarii: Epoca de nanostiinta si Tehnologiei

Hrvoje Petek (stânga) şi Hong Koo Kim, codirectors de Pitt lui Petersen Institutul pentru nanostiinta si Inginerie, sunt în picioare în zona nanofabrication a laboratorului zona de astfel de case avansate de echipamente structurare la scara nanometrica ca fascicul de electroni sau de ioni de fază "cameră curată". litografie. Procesul necesită un mediu ultraclean cu un nivel controlat de contaminare a aerului.

În fiecare an, oamenii de stiinta fac descoperiri care avans intelegerea noastra de nanostiinta, substanţă de creditare la speculaţiile că nanotehnologia este o forţă revoluţionară care va schimba profund totul, de la electronice pe care le folosim pentru a practica medicina mod medici.

Pentru cea mai mare parte, oamenii de stiinta fac de ridicare grele sunt universitate pe bază de cercetatori in fizica, chimie, inginerie, biologie, şi alte domenii care au dat de instrumentele şi libertatea de a explora-au pus bazele tehnologiilor câteva crezut că este posibil. Proeminent printre ei sunt mai mult de 50 Universitatea din Pittsburgh cercetatorii care fac o contribuţie semnificativă la dezvoltarea nanotehnologiilor, un efort care a devenit o iniţiativă naţională mai mult de un deceniu în urmă.

Astazi, cercetatorii Pitt sunt:

• în curs de dezvoltare acoperiri speciale cu nanoparticule care împiedică suprafete de glazură;

• materiale de investigare care conţin biţii de dimensiune de material semiconductor a rezolva una dintre principalele probleme în calea de a face vopsea converti lumina solara in electricitate, precum şi

• integrarea biologie şi nanotehnologii pentru a dezvolta extrem de sensibil, uşor de utilizat, biosenzori, care împinge limitele de medicina de diagnostic.

Explorare Aceste cercetătorilor de nanostiinta a dus la casa dispozitive cu capabilităţi remarcabile, inclusiv un microscop capabil de captarea de lumina comprimate prinsă în interiorul particule metalice. Ei au stabilit pentru a descoperi niciodată înainte de văzut-nanoparticule cu proprietăţi care ar putea da un ghiont stiinta mai aproape de realizarea calculului cuantic adevărat cu potenţial de viteze şi putere de calcul care ar face computerele de astăzi pare ca-melc. Şi oamenii de ştiinţă Pitt sunt printre cele mai pro-activ în evaluarea impactului acestor nanotehnologiilor în curs de dezvoltare ar putea avea asupra sănătăţii umane şi a mediului, precum şi în investigarea moduri de a face aceste tehnologii mai sigure.

O chestiune de scară

Nano prefix mijloace 10-9, sau 1 / 1000000000. Un nanosecunde este miliardime de secunda unu; un nanometru, miliardime dintr-un metru. La acea scară, cap de un ac de par mare, de măsurare aproximativ 2 milioane de nanometri. Nanostiinta, prin urmare, este studiul lumii din jurul nostru, la cele mai mici niveluri. În acest domeniu, atomi şi molecule sunt pietre de temelie pentru crearea de noi materiale şi utilaje.Guvernul federal nanoştiinţa defineşte ca înţelegerea şi controlul materiei la dimensiuni între 1 şi 100 de nanometri; Pitt direcţionează spre cercetare mai mică şi mai provocatoare ale acestei game, la 10-20 nanometri.

Dar dimensiunea este doar o parte din intrigi, deoarece materialele la scara nanometrica, posedă proprietăţi extrem de diferite decat omologii lor mai mari."Foarte interesant lucruri se întâmplă în acest interval", spune George Klinzing, vice-rector pentru cercetare la Pitt. "Dacă sunteţi în căutarea la frecare, e diferit la nivelul de 10-20 nanometri decât este în particule mari de sute sau mii de nanometri. Legile de bază sunt diferite. Înţelegând că este foarte important-si provocatoare. Cum ai de gând să manipuleze aceste lucruri? Cum ai de gând să facă lucrurile daca nu esti sigur cum vor comporta? Am pus o mulţime de efort în înţelegerea faptului că. "

Impactul potenţial al nanotehnologiei asupra sănătăţii umane, economiei şi securităţii naţionale a condus preşedintele Bill Clinton să se stabilească în anul 2000 Iniţiativa Naţională Nanotehnologie (NNI), ca un cadru multiagency pentru a asigura conducerea SUA în domeniu, prin investiţii în cercetare de bază pentru a înţelege fenomenele nanometrice şi să faciliteze transferul de tehnologie. De atunci, NNI de finanţare a crescut de aproximativ patru ori, de la 462 milioane dolari la aproape 1,8 miliarde $ in anul fiscal 2010.

Puterea tradiţionale Pitt în cercetare materiale a însemnat că, chiar înainte de NNI, Cercetatorii de la Universitatea în domenii variind de la chimie la fizica au fost investigarea nanoştiinţa cu sprijinul unui număr tot mai mare de agenţii federale dornici de a dezvolta noi tehnologii. În decembrie 2002, sub conducerea de atunci, James Provost V. Maher, Pitt a creat Institutul de Inginerie nanoştiinţa şi să sprijine şi să integreze activitatea de numărul tot mai mare de facultate de la diverse discipline de a începe cercetarea nanoştiinţa.

În termen de patru ani, institutul a fost redenumit Institutul Petersen pentru nanostiinta si Inginerie (PINSE). Institutului Benedum Sala de origine a fost renovat pentru a primi o fabricatie de stat-of-the-art scara nanometrica şi facilitatea de caracterizare, gama de instrumente sofisticate disponibile pentru cercetări extinse în mod semnificativ, şi, cu un cadou 5 milioane dolari de la Petersens, o dotare a fost creat pentru a sprijini activitatea de oameni de ştiinţă Pitt.

O Mai puţin frecvente Resurse

Unul dintre instrumentele cheie în Pitt nano laborator este sistemul de difractie de raze X, care analizează proprietăţile structurale ale nanomaterialelor la nivel atomic sau molecular. Universităţii Petersen Institutul de nanostiinta si Inginerie (PINSE) a investit aproape 12 milioane dolari la facilitatea de vînzare cu mai mult de două duzini dintre instrumentele cele mai avansate necesare pentru cercetare de înalt nivel nanostiinta.Fotografiată sunt Hong Koo Kim (stânga) şi Hrvoje Petek.

PINSE astăzi stă ca unul dintre cele mai up-to-data, institute de cercetare la scară nanometrică zboruri pe un campus universitar, oferind oamenilor de ştiinţă un atu mai puţin frecvente pentru a face ştiinţă la scara nanometrica si pentru asigurarea sprijinului extern pentru munca lor.

Puţine universităţi oferă facilităţi şi instrumente pentru a caracteriza atât şi fabrica nanomaterialelor într-un singur loc. "De la început, filozofia noastră a fost intelegerea nanomaterialelor prin caracterizare şi de a face manipularea, fabricarea, şi sinteza într-o structură concepute într-un mediu sinergice", spune Pitt Hong Koo Kim, Bell din Pennsylvania / Bell Atlantic profesor de inginerie electrica si calculatoare şi codirector al PINSE. "Multe alte facilitati de cercetare se concentreze fie pe caracterizarea sau de fabricatie, dar atunci când subliniem doar unul, puteţi pierde aspecte importante pe de altă parte şi nu se poate dezvolta o imagine completă."

Gradul de sofisticare a instrumentelor disponibile pentru oamenii de stiinta a facut mult pentru a avansa înţelegerea lor de nanomateriale şi structuri. PINSE a investit aproape 12 milioane dolari la materialul caracterizarea sale şi facilitatea de fabricatie, cu mai mult de două duzini de cele mai avansate instrumente necesare pentru cererile la nivel înalt de cercetare nanostiinta. Toate sunt adăpostite într-un mediu curat cu o cameră. Un exemplu a unui instrument disponibil pentru caracterizare este microscopul electronic cu transmisie, care are o rezoluţie de mai puţin de un nanometru. Acesta permite oamenilor de stiinta de a vizualiza aranjament atomice de nanomaterial şi reconstrui modului in care atomii sunt aranjate. Pe partea de fabricatie, oamenii de stiinta Pitt au acces la instrumente, cum ar fi fascicul de electroni şi sa concentrat sisteme de fascicul de ioni nanolitografie, care permit cercetătorilor să construiască aproape orice de la scara nanometrica cu specificaţiile de proiectare precisă.

PINSE are trei membri personalul tehnic, un manager, şi doi asociati de cercetare şi oferă resurse şi suport pentru mai mult de 50 de cercetatori facultate afiliate în mai multe discipline.

În 2009, PINSE a deschis usile pentru cercetătorilor dincolo de campusul Pitt, inclusiv persoane în industrie şi la alte instituţii academice. Despre o jumătate de duzină de PINSE-afiliate facultate, de asemenea, sunt angajate în proiecte de cercetare în colaborare cu diverse companii, iar lista este de aşteptat să crească ca Universitatea să îşi intensifice eforturile de a forma parteneriate în jurul valorii de industria nanotehnologiei.

PINSE-afiliate facultate, de asemenea, sunt în curs de dezvoltare de cursuri universitare şi postuniversitare la nivel de în nanostiinta si nanotehnologie, inclusiv entry-level de cursuri în domeniul ingineriei electrice şi un curs de laborator care permite studentilor sa experienţă de lucru cu instrumente de vârf şi alte facilităţi în caracterizarea şi fabricarea instalaţiei. "Filozofia nu este numai de a educa studenţii noştri în teorie, dar, de asemenea, de a le oferi experienta hands-on, precum şi, pentru că vom vedea mai multe deschideri şi mai multe locuri de muncă în industria nanotehnologiei în curs de dezvoltare", spune Kim.

Recunoaşterea la cele mai înalte niveluri

Cercetării în domeniul nanotehnologiei, la Pitt este afişat un potenţial semnificativ pentru a ajuta la dezvoltarea industriei de tipul de relaţii pe termen lung la Universitatea urmăreşte. Acesta este rezultatul mai multor factori, inclusiv expertiza de membrii facultăţii, lăţimea de faptul că expertiza şi experienţa lor, precum şi extinderea listei de realizarile lor.

PINSE-afiliate facultate sunt implicate în peste 100 de proiecte de cercetare legate de nanoştiinţa în cursul unui an dat. Munca lor este susţinută de o suma estimata la 12 milioane în subvenţii de la agenţiile guvernamentale federale, variind de la National Science Foundation (NSF) şi Departamentul Energiei la Departamentul de Apărare şi Institutul Naţional de Standarde şi Tehnologie. Multe facultate au primit premii prestigioase, inclusiv de cel puţin 10 PINSE-afiliate oameni de stiinta care au câştigat un premiu Cariera FSN.

De fapt, Pitt este în mod regulat clasat printre primele şapte universităţi, în cercetării în domeniul nanotehnologiei, cât şi comercializarea de nanotehnologie Times mici, lider de comerţ publicării nanotehnologiei. "Lăţimea de expertiză, resurse, şi activităţi de editare", revista a scris recent, "pune Pitt lângă partea de sus pentru cercetare micro şi nanotehnologiei."

O Quantum Challenge

Jeremy Levy, profesor de fizică şi astronomie la Şcoala Pitt de Arte si Stiinte, cercetări de dimensiune structuri şi speră la promovarea ştiinţei de bază, care stă la baza de calcul cuantic. El şi Cheng CEN, care a castigat recent doctoratul în laboratorul lui Levy, sunt in fata de un microscop de forta atomica, care este utilizat pentru a crea structuri de dimensiune.

Timp de decenii, calculului cuantic a fost o provocare mare pentru fizicienii care doresc să realizeze potenţialul nanoştiinţei pentru depăşirea vitezei şi de abilităţile de calcul a computerelor mai bune de azi. Jeremy Levy program ambiţios de cercetare experimentală se adresează în mod direct cu multe provocări care trebuie depăşite pentru a atinge acest obiectiv evaziv.

Levy, profesor de fizică şi astronomie la Şcoala de Arte Pitt şi Ştiinţe şi director al Centrului pentru Materiale de oxid-semiconductor pentru Quantum de Calcul, fabrică să înţeleagă şi să creeze structuri de dimensiune, să investigheze proprietăţile lor, şi de a descoperi fizica noi în acest proces. Laboratorul său specializat într-o clasă de materiale cunoscute sub numele de oxizi de complexe, care acţionează oarecum ca semiconductori, dar au un comportament mult mai robust.

Lucrul cu un sistem format din două oxizi-un strat de aluminiu de lantan nanometri grosime de aproximativ 1 cultivate pe titanat de stronţiu-Levy a constatat că interfaţa dintre cele două materiale poate fi comutată între o fază efectuarea şi o fază de izolare. Laboratorul lui a inventat, de asemenea, o metodă de a controla procesul, pe care, spune el, este o reminiscenţă a unui Etch A Sketch ® jucărie. Din aceste nanostructuri oxid, laboratorul lui a fost capabil de a face un tranzistor de aproximativ 1.000 de ori mai mici decât cele utilizate în computerele de astăzi.

Jeremy Levy, Pitt profesor de fizica si astronomie, a inventat o modalitate de a controla modul în care fluxurilor de energie electrică, la interfaţa dintre cele două tipuri de oxizi. Folosind acest proces, pe care le aseamănă cu o Etch A Sketch ® jucărie, Levy a făcut o tranzistor aproximativ 1.000 de ori mai mici decât cele în computerele de astăzi.

Lucrarea Sa cu nanostructuri oxid are implicaţii pentru avansarea stiinta de baza care sta la baza de calcul cuantic. Recent, el a fost atribuit un 7.5 milioane dolari de cercetare multidisciplinară Universitatea Iniţiativa de finanţare de la Oficiul pentru US Air Force de cercetare ştiinţifică pentru a susţine munca sa privind conservarea cuantica, simulare, şi transferul în nanostructuri oxid. "Ceea ce încercăm să facem este de a dezvolta noi tipuri de tehnologii cuantice care utilizează proprietăţile de supraconductori", spune Levy.Într-una din aceste proiecte, cercetatorii in laboratorul lui Levy incearca sa descopere noi particule, care au fost prezis, dar niciodată observate înainte în univers. Aceste particule cu proprietăţi topologice, care să le permită să fie "împletit" în moduri care oferă avantaje în curs de dezvoltare pentru un computer cuantic, cum ar fi ceea ce face mai tolerant de erori. "Avem de a face cu unele dintre cele mai dificile parti ale calculului cuantic", spune Levy.

Back to the Future

Cand vine vorba de nanomaşini, nu au fost în jurul valorii de mai mult de o populaţie prolific şi divers de virusi cunoscut sub numele de bacteriofagi. Date recente sugereaza aceste microorganisme au evoluat în natură cel puţin 3,5 miliarde de ani, probabil, aproape de începutul vieţii însăşi-"nanomaşini original," Roger Hendrix îi cheamă.

Un atribut notabile de bacteriofagi este capacitatea lor de a infecta bacterii. Ei pot penetra celulele bacteriene, devenim una cu ei, fie şi ucide sau a le modifica. Dar ei nu sunt bine înţelese, în ciuda vârstei lor avansată şi faptul că aproximativ 10 milioane de trilioane de trilioane de bacteriofagi individuale sunt estimate a fi roaming planeta la un moment dat.

Un distins profesor de Stiinte Biologice din Scoala lui Pitt de Arte si Stiinte, studii de modul în care Hendrix bacteriofagi-care au fost rafinat prin selecţie naturală a lungul a miliarde de ani de existenţă, sunt asamblate din părţile lor componente. Fiecare bacteriofag are o coajă de proteine ​​pentru un cap si o coada care este parte a echipamentului pentru injectarea ADN-ului în celula pe care le infecteaza.

Roger Hendrix, Distinsi profesor de Stiinte Biologice din Scoala lui Pitt de Arte si Stiinte, bacteriofagi studii, care sunt virusuri care au evoluat cel puţin 3,5 miliarde de ani. Aici, Hendrix funcţionează cu Bonnie La, un student anul al doilea doctorat, ca acestea să efectueze o analiză electroforetică a proteinelor unuia dintre bacteriofagilor studiat în laboratorul lui Hendrix.

De un interes special pentru Hendrix este introducerea de ADN-ul în timpul procesului de asamblare cap şi rearanjarea elabora coajă de proteine, apoi suferă pentru ao face mai stabil, robust, rezistent si.Adunarea Coada are, de asemenea, sarcina de a rezolva mistere. Unul este înţelegerea modului în care coada este asamblat la aceeaşi lungime pentru toate bacteriofagi într-o populaţie.

"Este o întrebare generală despre modul în care asambla structuri biologice sau nanostructurilor", spune Hendrix. "Cum sunt determinate dimensiunile?Dacă faci o structura din caramida identice, cum ştii când să vă opriţi piling sus cărămizi? "

Răspunsul la astfel de întrebări cu privire la asamblarea bacteriofag ar putea avea implicatii pentru dezvoltarea unei game de nanotehnologiilor. "Aceste nanomaşini sunt mult mai sofisticate decât orice oricine poate construi in laborator aceste zile", spune Hendrix. "Deci, înţelegerea modului în care lucrează este informativ pentru înţelegerea modului în care putem face nanomaşini."

Breaking Limitele de viteză

Un procesor de calculator modern, cu o rată de ceas a unui gigahertzes câteva tranzistori şi poate funcţiona de la o rată de aproximativ o dată la fiecare nanosecunde. Majoritatea oamenilor ar vedea probabil ca la fel de rapid, Hrvoje Petek-l vede ca pe o oportunitate.

"În principiu," spune Petek, o fizica si un profesor de chimie la Şcoala Pitt de Arte şi Ştiinţe şi codirector PINSE lui, "ar trebui să fim în măsură să facă dispozitive electronice care sunt mult mai rapide şi care ar consuma mult mai puţină energie dacă am putea combina lumina cu electronica conventionala. "

Accentul de cercetare Petek este fenomenelor ultrarapide în solid-state materiale. Şi prin ultrarapida, el înseamnă fenomenele care au loc pe scara de timp, care sunt mai puţin de 10-12 secunde. O zonă de interes special, este microscopia ultrarapizi de electroni. Un rezultat al acestei activităţi este de microscop timp rezolvate de electroni fotoemisie de laborator sa dezvoltat, care poate câmpuri imagine electric într-un material solid-state sau nanostructuri cu un remarcabil 10-14 rezoluţie a doua oară.

"Am urgentat microscopie de multe ordine de mărime", spune Petek. "Ceea ce ne permite să faci este să lumină imagini pe o scară de nanometri."

Folosind microscopul, Petek este capabil sa faca filme de lumina a fi prins în interiorul particulele de metal şi de filme din metal. "Impulsuri de lumină putem capcană în nanofilms pe scara nanometrica pot fi combinate cu dispozitive conventionale electronice pentru a le accelera şi de a reduce consumul lor de energie. Pentru a realiza acest lucru, primul lucru care este necesar este de a lua filme de aceste impulsuri de lumină prins în interiorul unui film de metal pe ambele o femtosecond (unul quadrillionth de un al doilea) la scară temporală şi spaţială o scara nanometrica. "

Petek este de a explora, de asemenea, singura molecula utilaje. Folosind un microscop de scanare tunneling, de exemplu, el poate trage electroni singur într-o moleculă şi învaţă structurii sale interne pot fi manipulate. Este un pas in urmatoarea frontiera in domeniul electronicii. "Nu va fi o limită cu privire la modul de departe dispozitivele electronice conventionale pot fi micsorat", spune Petek. "La un moment dat, mai degrabă decât folosind siliciu, pot exista avantaje la utilizarea de materiale moleculare. Aceste single-molecule dispozitive reprezinta cea mai mica miniaturizarea a unui dispozitiv, se poate imagina. "

Gheaţă şi Soare

Partea de cercetare nanoştiinţa fiind efectuată de către Di Gao, un Pitt profesor asistent de inginerie chimică şi petrol şi o WK Whiteford Fellow Facultatea, este a descoperi modul în care nanoparticulele pot fi folosite pentru a preveni acumularea de gheaţă pe suprafeţe rutier, precum şi pe aripile avionului şi linii de înaltă tensiune. Aici, Gao funcţionează cu Ashish Yeri, un sfert de ani Drd. Aparatul mare în fundal este un difractometru cu raze X, care este folosit pentru a examina cristalinitatea de materiale.

În laboratorul lui, Di Gao este investighează modalităţi de modificare a suprafeţelor cu nanoparticule de faptul că o zi ar putea duce la gheaţă-dovada drumuri, explorând în acelaşi timp, de asemenea, utilizarea de matrice nanofire pentru a rezolva o problemă încăpăţânat confuzie dezvoltarea unei noi tehnologii promitatoare pentru valorificarea puterea de la soare.

Gao este aplicarea studiul său a suprafetelor superhydrophobic pentru a dezvolta acoperiri care împiedică condiţiile necesare pentru glazură pentru a începe. Dimensiunea particulelor, în special, este critică. Şi dacă acest site un material anti-îngheţ este scopul, mai mici, este mai bine. Laborator Gao exploateaza acest fapt ştiinţific prin dezvoltarea de acoperire, care sunt un amestec de polimeri şi nanoparticule suficient de mici pentru a nega apa racim la centrul de nucleatiei necesare pentru a forma gheaţă.

"Apa devine practic ricoşat departe", spune Gao, un profesor asistent de inginerie chimică şi petrol şi o William Kepler Whiteford Fellow la Facultatea Pitt. "În cele din urmă acest lucru poate fi aplicat la liniile de înaltă tensiune şi aripi de avioane pentru a preveni glazură."

Suprafeţelor rutiere prezinte o altă provocare. Acoperire atunci când sunt aplicate pe o suprafata drumului nu va rezista abuzul de trafic şi de alţi factori. Deci, Gao colaboreaza cu alti oameni de stiinta Pitt pentru a face o nanoparticule anti-givraj beton conţin.

Laboratorul lui Gao se concentrează, de asemenea, expertiza sa privind îmbunătăţirea eficienţei de colorant-sensibilizate celule solare, o tehnologie în curs de dezvoltare cu potenţialul de a recolta de energie la un cost semnificativ mai mic decât pe baza de siliciu celule; acestei cercetări este de a atrage atenţia considerabilă în întreaga lume.

Potenţial tehnologii emergente nu vor fi realizate, cu toate acestea, până la aceste noi celule solare pot fi făcute pentru a face o treaba mai buna de conversie a lumina infrarosie in energie electrica. O problema cu curent de colorare a-sensibile din punct de celule solare este reţeaua lor nanoparticulelor dezordonată, care impune electronii la hamei între particule. Gao este încercarea de a rezolva această problemă prin utilizarea ordonate, sau aliniate vertical, oxid de titan matrice nanofire, care, spune el, "a da electronii o autostrada pentru a ieşi din celulă şi de a îmbunătăţi eficienţa transportului de electroni de anod."

Optica neconventionale

O premisă de bază ale opticii convenţionale este că îndoaie lumina într-un anumit fel atunci când intră într-un mediu diferit. PINSE codirector Kim este interesat de manipularea lumina în moduri noi, care nu poate fi realizat cu optica convenţionale.

Unul din interesele sale, în special, face lumina îndoiţi sens opus de la calea naturala de îndoire şi în curs de dezvoltare nanomateriale noi, care vor permite ca să fie exploatate ca o platformă pentru noi aplicaţii care variază de la imagistica rezoluţie extrem de mare la dispozitive avansate fotovoltaice.

În timp ce potenţialul pentru aşa-numitele negativ indicele metamateriale-a fost recunoscut şi urmărit de mai mulţi ani, se deplasează de tehnologie de la laborator la lumea reală aplicaţii a fost problematică. În cele mai multe abordări, de exemplu, lumina este pierdut ca se deplaseaza prin metamateriale. Şi aceste materiale de lucru doar pentru un domeniu spectral ingust. Ambele neajunsuri limita utilitatea materialelor practice.

Kim, cu toate acestea, este de a lua o abordare diferita, dezvoltarea unei structuri nano-optic, care poate curba lumina într-o direcţie negativă într-un mod care este cedat la o gama larga de lungimi de undă, este relativ uşor de fabricat, şi este aproape fără pierderi, ceea ce înseamnă că lumina trece prin ea, cu pierderi minime de energie. Astfel de proprietăţi deschide uşa către o serie de utilizări posibile avansate.

De exemplu, noul nano-optica structura, atunci când este folosit pentru imagini, ar putea face posibilă pentru a produce modele mai mici tranzistor. Structura are, de asemenea, promisiunea ca o lentilă de avansat capabil de a urmări obiecte extrem de mici, realizarea de rezoluţie mai mare decât imagistica este în prezent disponibil.

Aceasta ar putea duce, de asemenea, la sporirea eficienţei de dispozitive fotovoltaice."Prin lumina de îndoire, această abordare, această structură, permite lumina pentru a interacţiona cu materialul cu film subţire de celule solare la distante mai mari", spune Kim. "Asta înseamnă că o mai bună absorbţie şi o mai bună utilizare a energiei solare, care, care produce eficienţă mai mare în generarea de energie electrică."

Fotovoltaice Paint

Pitt lui David Waldeck (aşezat) funcţionează cu Hong Koo Kim (în picioare stânga), şi Geller David, Richard L. Simmons profesor de chirurgie la Scoala de Medicina Pitt si codirector al Centrului de UPMC cancer la ficat. Waldeck de cercetare este axat pe găsirea unui mod de a folosi nanoparticule pentru a face o vopsea viabilă comercial fotovoltaice, care poate converti lumina solara in electricitate. Waldeck este un profesor de chimie si presedinte al Departamentului de Chimie în Şcoala de Arte şi Ştiinţe.

Printre beneficiile potenţiale ale nanoparticulelor este posibilitatea de a rezolva în cele din urmă una din problemele majore în picioare în modul de realizare a vopselei viabilă comercial fotovoltaice posibilitatea de a converti lumina solara in electricitate. Desi lumea se apropie de o astfel de vopsea solară-energie, tehnologii disponibile se încadrează scurt de a ajunge la eficienţă de conversie este necesar, deoarece prea puţini dintre fotoni solare care absorb sunt transformate în electroni. Un om de ştiinţă care lucrează la această problemă este David Waldeck, un profesor de chimie si presedinte in cadrul Departamentului de Chimie Pitt în Şcoala de Arte şi Ştiinţe, ale căror interese de cercetare includ înţelegerea şi controlul propunere de electroni pe scale nanometri.

Laborator Waldeck lui este de a face materiale compozite de biţi scara nanometrica de semiconductoare, care sunt amestecate cu un material polimer efectuarea. Aceste nanoparticule semiconductoare au mai multe avantaje. "Suntem capabili să ton de culoare de lumina pe care o absorb şi în cazul în care nivelurile de energie minciună prin schimbarea dimensiunii lor," spune Waldeck. "Prin schimbarea de acoperire a suprafeţei pe nanoparticulelor, putem să le pună la interfaţa de doi polimeri diferite şi de a absorbi cea mai mare parte lumina la limita de polimeri. Pentru că putem face una dintre cele polimeri fi un catod şi un anod alte polimer-cum ar fi poli ai unei baterii de absorbţie de lumină de la care limita ne permite sa foarte eficient conduce electron de la o etapă la alta. "

O astfel de dezvoltare ar oferi un proces mai eficient şi mai puţin costisitoare pentru transformarea luminii în electricitate. "Dacă totul funcţionează, va fi capabil sa" picteze "acoperisului o zi, conectaţi-l în, şi de a salva pe factura de electricitate. Asta e ideea de bază. "

Un alt interes de cercetare al lui Waldeck este înţelegerea modului în care pentru a manipula lumina asupra nanometri lungime-scale. Acest lucru a condus la un proiect de colaborare cu Joanne Yeh, un profesor la Scoala de Medicina Pitt al Departamentului de Biologie structurale, pentru a dezvolta biosenzori consolidată, care au atras sprijin de la National Institutes of Health şi Administraţia Naţională a Aeronauticii şi Spaţiului.

Waldeck laborator este crearea de filme subtiri de metal de aproximativ 200 nanometri grosime, care sunt structurate cu găuri, inele, sau fante care le permit să directe de-a lungul calea de lumina care călătoreşte. Laborator Yeh integreaza materiale biologice pe aceste dispozitive nanoplasmonic. Ideea este de a crea noi nanoplatforms pentru efectuarea de analize chimice şi biologice folosind aceleaşi concepte de miniaturizare şi integrare care au fost aplicate cu succes atât de la electronice.

Un rol in domeniul sanatatii umane

În laborator de Joanne Yeh, un profesor la Scoala de Medicina Departamentului de Biologie structurale, cercetatorii sunt de lucru cu privire la aplicarea nanotehnologiei pentru probleme medicale. Laborator Yeh are, de exemplu, a dezvoltat un biosenzor capabil de a detecta antigen specific prostatic (PSA) în sânge şi urină. În prezent, un test de sange este mijlocul cel mai comune de măsurare a nivelurilor crescute ale PSA, care pot indica cancerul sau alte probleme de prostată. Yeh ecranul de computer arată imagini a ceea ce nanobiosensors laboratorul ei arata ca la atomic sau scara nanometrica.

Aplicarea nanotehnologiei pentru probleme relevante clinic medical este un domeniu atrage un mare interes şi una care cercetătorii Pitt au explorat în mod activ de mai mulţi ani.

Yeh, de exemplu, a dezvoltat in laboratorul ei o abordare roman numit "biosensing coordonate" pentru a face extrem de sensibile, senzori biodegradabile pentru depistarea precoce a bolilor.Acest proces presupune integrarea un alt domeniu de studiu în laborator Yeh lui, elucidarea structurilor tridimensionale rezolutie atomica de proteine ​​şi acizi nucleici prin metoda unică de cristal de difractie de raze X, pentru a forma activă abordare ei permite încorporarea precisă spaţială a "nanobioassemblies." fiecare componentă senzor pentru a maximiza funcţionalitatea şi sensibilitatea biosenzor. În afară de a fi extrem de sensibile, aceste biosenzori sunt independente de platforma folosită şi uşor de miniaturizat.

Prin această abordare, laborator Yeh a dezvoltat un biosenzor capabil de a detecta antigen specific prostatic (PSA), cu sensibilitate fără precedent. Valori crescute ale PSA la barbati sunt un indicator al cancerului de prostata si a altor tulburari de prostata. Un test de sânge administrate in cabinetul unui doctor sau clinica este în prezent cea mai comună metodă de măsurare a nivelurilor PSA. Biosenzor Yeh are potenţialul de a schimba acest lucru. Un avantaj clar al Yeh biosenzor deţine mai mult de testele convenţionale este faptul că detectează cu precizie PSA în urină, precum şi în ser.

"Am testat biosenzori nostru, şi ei sunt foarte precise si robuste", spune Yeh. Mai mult decât atât, ele sunt mici, ieftine, şi uşor de utilizat. Ideea este că această tehnologie va deveni intr-o zi un senzor de auto-administrate, care pot fi achiziţionate de la o farmacie, la fel ca testele de sarcina de astăzi acasă. Senzorii au, de asemenea, potenţialul de a îmbunătăţi depistarea precoce a cancerului de prostată în locuri în care resursele sunt limitate de îngrijire a sănătăţii, cum ar fi regiunile rurale şi naţiunilor din lumea a treia.

Yeh spune biosenzor PSA este o previzualizare a ceea ce este probabil de a dezvolta de la căsătorie a nanotehnologiei şi biomedicina. "Scopul nostru este de a dezvolta aceste nanobiosensors nu numai pentru PSA [teste], ci şi pentru alte boli sau alte markeri clinice, care sunt relevante pentru a determina statele anormale boala."

Detectoare supersensibile

Alexander stele (background), un profesor asistent de chimie la Scoala Pitt de Arte si Stiinte, este de lucru cu alti cercetatori in laboratorul lui de a transforma in nanotuburi de senzori chimici şi biologici. Grupul sau de cercetare utilizate recent tuburi cu diametre de 100.000 de ori mai mic decât un fir de par uman pentru a dezvolta un senzor care poate avertiza suferinzi de astm de un atac iminent. Aici, Brett Allen, care a finalizat recent diploma de doctorat în chimie sub supravegherea Star, utilizează un microscop de forta atomica pentru a vizualiza nanotuburi de carbon.

Pornirea nanotuburi de carbon în senzori chimici şi biologici este unul din interesele de cercetare Alexandru Star. Grupul sau de cercetare utilizate recent tuburi cu diametre de 100.000 de ori mai mic decât un fir de par uman pentru a dezvolta un senzor care poate avertiza suferinzi de astm de un atac iminent.

Senzorul detectează concentraţiilor de oxid nitric in respiratie umane. Oxidul nitric este un marker al inflamatiei. Creşterea nivelului de gaz sugereaza o acumulare de inflamare in caile respiratorii, care poate prezice un atac de astm.

Un avantaj în nanotub de detecţie este dimensiunea extrem de mica. Când moleculelor de gaz ca se leaga de oxid nitric la suprafata, au afecta în mod semnificativ fluxul de curent electric-un eveniment care poate fi detectat. "În mod ideal, senzori ar putea fi vândute în farmacii, cum ar fi senzori de glucoza ca nivelurile de glucoză în sânge de testare", spune Star, un profesor asistent de chimie la Pitt. "Oamenii ar fi capabil să detecteze nivelurile de oxid nitric în respiraţia lor şi ia medicamente lor astm ca un tratament preventiv."

Laborator de stele, de asemenea, a constatat că ceaşcă de tipul nanomateriale poate fi construit cu azot, prin oprirea creşterii lor la segmente mai mici. Laboratorul este investigheaza modul in care aceste nanocups pot fi unite pentru a forma capsule gol, care ar putea fi utilizate intr-o zi de livrare de droguri vizate. "Ne pot da seama cum să le umple cu medicamente şi, sperăm, le folosesc ca urmatoarea generatie de sisteme terapeutice," Star adauga.

Pentru aceasta să se întâmple, nanomaterialele trebuie să se facă de a se degrada în condiţii de siguranţă în corpul uman. De cercetare de stele include investigarea impactului acestor materiale au asupra mediului şi asupra celulelor umane.Laboratorul lui, de exemplu, a fost primul care a descoperit că enzimele derivate din hrean ar putea fi folosite ca un catalizator pentru nanotuburi degradant.

Recent, prima enzima umane capabile de nanotuburi de carbon biodegradare a fost identificat de o echipa internationala de cercetatori condusa de Valerian Kagan, un profesor si vice-presedintele in cadrul Departamentului de mediul, sanatatea ocupationala, în Graduate School Pitt de Sanatate Publica. Testele efectuate pe soareci au sugerat că inhalarea nanotuburi de carbon poate duce la inflamatii severe in plamani si debutul precoce a fibrozei. Cercetatorii au descoperit ca nanotuburile degradate cu Mieloperoxidaza enzimei umane nu a provoca inflamatii pulmonare.

Constatări sugerează faptul că nanotuburi de carbon într-o zi ar putea fi dezvoltat ca o metoda sigura de livrare de droguri şi că un tratament naturist pentru persoanele expuse la nanotuburi de carbon este posibil.

Cercetatorii Pitt, în fapt, au fost printre cele mai pro-activ în investigarea efectelor adverse potenţiale ale nanotehnologiei. "Nanotuburile de carbon sunt utilizate în produsele, şi companiile doresc să le producă în cantităţi mari", spune Steaua, care a fost printre cercetatorii implicati in studiu Kagan. "Este necesar doar sa se uite la modul în care acestea afectează organismul şi a mediului."

Far-Atingerea Contribuţii

In domeniul microelectronicii, cercetării fundamentale în fizica starii solide şi a materialelor semiconductoare au condus la circuite noi, la scară mică chips-uri, şi alte avansuri de la care computerele personale puternice, telefoane mobile, şi alte tehnologii utilizate pe scară largă astăzi au evoluat. NNI, mai mult de un deceniu în urmă, imaginat nanotehnologiei de a lua o traiectorie similară, începând cu înţelegerea ştiinţei de bază şi crearea de materiale simple înainte de evoluţie la materiale mai avansate şi structuri.

"Bine de cercetare are obiective specifice", spune vice Provost Klinzing. "Deseori, scopul este de a răspunde la o întrebare importantă, pentru a îmbunătăţi o tehnologie existentă, sau să creaţi o tehnologie de transformare. Importanţa acestor obiective este în funcţie de capacitatea lor de a contribui la îmbunătăţirea calităţii vieţii noastre, reduce suferinţa, şi ridicaţi spiritul uman. "

Pitt anchetatori nanostiinta, acceptând aceste provocări, sunt bine poziţionate pentru a face mai mult decât avansurile elementare. "Noi anticipam posibilitatea de a contribui mai mult fundamentale în viitor, care va fi chiar mai de departe-ajunge", spune Kim.