VINSE ingineri si cercetatori explora posibilitatile pe scara nanometrica

Cercetatorii de Vanderbilt de lucru la cea mai mica scara sarbatori o piatra de hotar imens in acest an. Institutul Vanderbilt de Stiinta si Inginerie la scara nanometrica (VINSE), seminte de la o universitate-finantat de 16 milioane dolari initiativa fond de capital de risc, sarbatoreste 10 ani de existenta, in decembrie.

Ben Schmidt, PhD'10, asociat de cercetare in inginerie chimica si Biomolecular, masurile de grosimea stratului subtire, prin utilizarea profilometer VINSE lui.

Exista multe lucruri pentru a sarbatori, inclusiv faptul ca, in ultimul deceniu, VINSE a atras mai mult de 75 milioane dolari din fonduri federale pentru cercetare nanostiinta, spune directorul VINSE Sandra J. Rosenthal.

Un institut interdisciplinar dedicat stiintei si ingineriei materiei la scara atomica, VINSE dovedeste ca, chiar si cele mai mici probleme de chestiune. Prin nanotehnologie, cercetatorii fac materiale de-acum extrem de mici, mai mica decat latimea unei par uman, dar cu capacitati sporite relevante pentru orice, de la consumul de energie la furnizarea eficienta de medicamente.

"Lucru fundamental care face nanostiinta interesant este ca, atunci cand fabrica un material privind proprietatile scara nanometrica, noi sunt descoperite tot timpul. Aceste proprietati noi deschid o multitudine de posibilitati pentru aplicatii potentiale ", spune Rosenthal, Jack si Pamela Egan Catedra de Chimie si profesor de inginerie chimica si Biomolecular, chimie, fizica si farmacologie. "Studiem aceste posibilitati si dau seama ce aplicatiile pe care le puteti utiliza pentru aceste proprietati."

VINSE Director Sandra J. Rosenthal, in laboratorul ei, inconjurat de componente si exemple de cercetarea ei revolutionara, in puncte cuantice, de asemenea, cunoscut sub numele de nanocristale semiconductoare.

Cu parteneri, care includ Oak Ridge National Laboratory si de la Universitatea Fisk, VINSE favorizeaza cercetarea de ultima ora in biologie si medicina, optica, pe baza de carbon nanostructuri si senzori, precum si un nou accent la interfata de nanostiinta si energie. Aproximativ un sfert din Facultatea de Inginerie Vanderbilt sunt parte din VINSE, cuprinzand aproape jumatate din cercetatorilor institutului.

In ultimele luni, institutul a castigat un pachet de 5 milioane dolari intr-o 20 milioane dolari National Science Foundation grant pentru a consolida dezvoltarea infrastructurii de cercetare in Tennessee. O subventie mai mici, dar extrem de important 569.000 dolari de la FSN recuperare americane si Reinvestment Act a permis pentru renovarea a echipamentelor de tratare a aerului in camera curata VINSE si un upgrade al sistemului de monitorizare a gazelor toxice.

Puterea de cercetare

Facilitati de baza de VINSE, creat si dotat cu 5 milioane dolari din investitia initiala din dotarea universitatii, ofera instrumentele extrem de specializate. "Faptul ca avem acest tip de fabricatie si caracterizare disponibile ne-a permis sa debarce unii indivizi restante, care sunt cercetatori nanostiinta", spune Rosenthal.

Printre cele mai recente recruteaza este Profesor Asistent de Inginerie Mecanica Jason Valentine, un expert in cloaking-ascunde obiectele din vizualizarea de lumina in jurul valorii de indoire lor.

In timp ce cloaking evoca imagini din lumea lui Harry Potter sau Star Trek, aplicatiile sale practice includ mai mult posibil, crearea a tot mai mici, sisteme mai usoare si mai eficiente optice si materiale pentru telecomunicatii si de calcul.

Ca un student absolvent de la Universitatea din California-Berkeley, Valentin a fost parte dintr-o echipa de cercetare care a creat o tehnica de cloaking numit o "manta covor" a facut dintr-o foaie de siliciu si antrenate cu gauri plasate cu precizie. Mantaua modifica refractie a luminii, deoarece trece prin material-mai subtire decat un om de par de luare a unui obiect apare plat.

"Ceea ce facem este extragerea practic o gaura in spatiu", spune Valentin, chiar daca o gaura foarte mici. Deoarece materialele apar in mod natural nu au acest tip de flexibilitate in proprietatile lor optice, Valentin si echipa de cercetare utilizate Berkeley metamateriale-artificiale materiale de inginerie cu metodele de prelucrare pentru a-scara nanometrica realiza materiale de structurare mult mai mici decat lungimea de unda a luminii.

In timp ce efectul a fost realizat pe scara bidimensional, Valentine continua urmatorul pas de la Vanderbilt-de lucru spre fabricarea unor astfel de materiale pe o scara mai larga si in 3-D. Aceste evolutii ar putea dovedi utile in manipularea usoara cipuri de siliciu, la baza de electronice moderne, pentru a permite mai eficiente si flexibile de lumina-arhitecturi de rutare.

"Deghizare este o demonstratie mare a tehnologiei si o modalitate foarte buna de a trage tineri studenti in domeniul stiintei", spune Valentin interesului public in cloaking. "In mod normal, ei nu ar fi constienti de descoperiri stiintifice."

Economisire a energiei, salvarea vietilor

In timp ce Valentine fabrica pentru a manipula lumina, laboratorul lui Rosenthal experimentat o descoperire de producerea unui nanomaterial nou ca, pentru prima data emite o lumina alba. Rosenthal are scopul de a face materialul stralucitor si alb, suficient pentru a deveni viabile comercial.

"O multime de oameni a spus acest lucru (descoperirea de lumina alba pe scara nanometrica) nu se va intampla. Nimeni nu a prezis ", spune ea.

Laboratorul lui Rosenthal foloseste instrumente de specialitate pentru a sintetiza nanocristale semiconductoare, de asemenea, numit puncte cuantice. Un bloc de nanotehnologie, puncte cuantice sunt doar cateva milionimi de milimetru peste, care prezinta proprietati unice electronice, optice si magnetice, care pot fi utilizate intr-o varietate de tehnologii.

O Raith eLiNE LEB (electroni litografie fascicul) Sistemul permite cercetatorilor sa de model cel mai mic materialelor nanostructurate. Instrumentul de ultima ora este gazduit intr-VINSE lui Electron Optica de laborator, supravegheat de catre Tony Hmelo, VINSE director asociat si profesor asociat de cercetare de fizica si stiinta materialelor (foto).

Printre alte proiecte, Rosenthal, de asemenea, este de instrumentare modalitati de a lega medicamente pentru proteine??o celula, oferind un far nanocrystal pentru a urmari miscarea de proteine??care serotonina de control prin creier. Acest lucru ar putea fi o descoperire potential in domeniul sanatatii mintale, ca un dezechilibru de serotonina este asociat cu multe boli psihice majore.

"Cercetarea mea este o multime de distractie", spune Rosenthal. "Intr-o zi Sunt salvarea planetei incearca sa dezvolte energie-iluminat eficient. O alta zi am incercat sa fac cercetari fundamentale, care poate o zi ajuta la atenuarea care sufera de persoane cu boli mintale, iar nanotehnologia este ca e care sa permita tuturor de ea. "

Profesor Asistent de Inginerie Electrica Sharon Weiss investigheaza nanotehnologie care ar putea ajuta un cocktail de droguri in piatra de tocila pe hard-la-ajunge la tumori la pacientii cu cancer, printre alte aplicatii potentiale.

Weiss lucreaza cu cristale de siliciu poros. Burete-ca material de umplut cu miliarde de mici gauri, cristalele pot fi manipulate prin intermediul unui proces de gravare, care permite oamenilor de stiinta pentru a incarca mici gauri cu alte substante.

Perechi Weiss cu Paul Laibinis, profesor de inginerie chimica si Biomolecular, in cercetare care implica sintetizarea moleculelor de ADN-ul in interiorul porilor cu anumite medicamente pentru a crea un senzor de foarte selectiv. Prin evaluarea cum interactioneaza lumina cu siliciu poros, este posibil pentru a detecta prezenta de urme de material biologic. Acest lucru poate de ajutor intr-o serie de procese, inclusiv livrarea de medicamente pentru domenii foarte specifice in organism, explica Weiss.

Cercetare cloaking de asistent profesor de Inginerie Mecanica Jason Valentine (indicat in procesul de infiintare laboratorul lui) ar putea duce la tot mai mici, sisteme mai usoare si mai eficiente optice si materiale pentru telecomunicatii si de calcul.

Privind in perspectiva

Peter Cummings, John R. Hall profesor de Inginerie Chimica, a avut un rol esential in modelarea guvernului Strategia Nationala Initiativa nanotehnologie. El a participat recent la un atelier strategic de ghidare sa asigure o contributie la planul guvernului pentru cercetare nanostiinta pentru urmatorul deceniu. (Pentru detalii, a se vedea www.nano.gov ).

Stiinta de mici, a revolutionat liniste multe aspecte ale tehnologiei si ca revolutia continua, Cummings spune.

El observa ca cercetatorii de la Vanderbilt si din alte parti fac progrese in domeniul electronicii moleculare, cu scopul de a construi dispozitive cu un comutator format din doar o singura molecula.

Acest lucru ar reprezenta miniaturizarea final al electronicii. "Oamenii se gandesc ce se va intampla dincolo de siliciu", spune el din materialul care formeaza baza de chip-uri moderne. De fapt, Weiss Vanderbilt, care are o intalnire secundar ca profesor asistent de fizica, este de lucru cu Richard Haglund, profesor de fizica, cu privire la metodele de a accelera procesele de calcul, prin utilizarea de lumina, mai degraba decat de metal pentru a transfera rapid de informatii. (A se vedea Vanderbilt Engineering, toamna anului 2010.)

VINSE recent renovat de tratare a aerului si echipamente de monitorizare de gaze toxice in camera sale curate, datorita unei recuperare americane si Reinvestment Act (ARRA) subventie. Profesor Asistent de cercetare de Inginerie Electrica Bo Choi lucreaza la evaporator eBeam in camera.

Cummings spune ca inginerii Vanderbilt folosesc calcul de inalta performanta bazate pe tehnici, inclusiv utilizarea de GPU (unitati de procesare grafica, in primul rand pentru jocuri video), la cercetarea altor aspecte ale nanostiinta, inclusiv studiul de lichide nanoconfined, care sunt importante pentru lubrifierea piesele mobile in dispozitive nanoelectronice.

Vanderbilt are o subventie, condus de profesor asociat de Inginerie Mecanica Greg Walker, pentru a construi un cluster rapid GPU pentru calcul stiintific, si Oak Ridge National Laboratory, in cazul in care Cummings este Cercetator principal in cadrul Centrului pentru Nanophase Stiinta Materialelor, este construirea unui grup imens GPU in colaborare cu Georgia Tech.

Materie chiar mai mica decat cea a nano-la "femto" si "ATTO" scala-deja este in curs de explorare, de asemenea. Instrumente cum ar fi microscoapele atomica vigoare permite oamenilor de stiinta pentru a masura si urmari reactii individuale chimice au loc, se deplaseaza mult dincolo de stadiul teoretic. Cummings spune ca a fost doar o perioada scurta de timp in urma ca oamenii de stiinta ar putea imagina abia inovatiile intampla astazi in nanostiinta. "Ceea ce era de neconceput cateva decenii in urma, este o realitate astazi", spune el.

Used by permission, Vanderbilt Engineering, http://www.vanderbilt.edu/magazines/vanderbilt-engineering/2011/04/something-big-from-something-small/