האם ננו-טכנולוגיה יכולה להציל חיים?

מציאת ג'ורג 'וויטסידס לעיתים קרובות קשה אפילו לג'ורג' וויטסיידס. אז הוא שומר מעטפה בכיס הז'קט שלו. "אני לא יודע איפה אני בכלל עד שאני מסתכל על זה, " הוא אומר, "ואז אני מגלה שאני בטר הייט, ואז השאלה היא 'מה הלאה?'" במהלך במעטפה האחרונה, המעטפה חשפה שהוא היה בבוסטון, אבו דאבי, מומבאי, דלהי, באזל, ז'נבה, בוסטון, קופנהגן, בוסטון, סיאטל, בוסטון, לוס אנג'לס ובוסטון.

תוכן קשור

• הנדסה בלתי נראית
• גילוי איתותים?

הסיבה לכך בוסטון מופיעה בתדירות כה גבוהה, אם כי לא לעתים קרובות ככל שאשתו מעדיפה, היא שוויטסיידס הוא פרופסור לכימיה באוניברסיטת הרווארד, ובוסטון לוגן הוא שדה התעופה הביתי שלו. הסיבה לכל הערים האחרות היא שתרומתן של וויטסיידס למדע נעה בין ביולוגיה, הנדסה, פיזיולוגיה, מדעי חומרים, פיזיקה, ובמיוחד בימינו, ננו-טכנולוגיה. מדענים אחרים, מנהיגי ממשלה, ממציאים ומשקיעים ברחבי העולם רוצים לשמוע ממנו.

ההמצאות והרעיונות של Whitesides הולידו יותר מתריסר חברות, כולל ענקית התרופות ג'נזים. אף מעבדה בהרווארד לא מתקרבת להתאים את מספר הפטנטים שצורפו לשמו - "בערך 90", הוא אומר. הציטוט "GM Whitesides" מופיע לעיתים קרובות יותר בעיתונים אקדמיים מזה של כמעט כל כימאי אחר בהיסטוריה.

אז Whitesides זה משהו כמו הבונו של המדע, אם כי גבוה יותר, חוטני יותר ובגיל 70, פחות עובד. כובע דייג סקוטי כמעט תמיד מכסה את ראשו, אפילו מול קהל. יש לו קול עמוק, עם מעט רמז לקנטקי מולדתו. לאחרונה הקול הזה מציג בפני הקהל פרויקט ננו-טכנולוגי חדש שמטרתו להציל חיים בעולם המתפתח. "מהם הדברים הזולים ביותר שאפשר להכין מערכת אבחון?", הוא שואל. "עיתון."

על פיסת נייר שאינה עבה או רחבה יותר מחותמת הדואר, בנה וויטסייד מעבדה רפואית.

יום אחד בחורף האחרון, לבנים התעוררו במיטתו שלו. בשעה 9 בבוקר הוא היה במשרדו ממש ליד הרווארד יארד. הוא לבש את התלבושת האופיינית שלו: חליפת פסים, חולצה לבנה, בלי עניבה. הוא הניח את כובע הדייג שלו על שולחן ועידה מול מדף ספרים שהכיל את התא, חומרים מיקרואלקטרוניים, כימיה פיזית, כימיה אורגנית מתקדמת וציטוטים מוכרים של ברטלט .

טקסט שלא היה על המדף היה No Small Matter: Science on the Nanoscale, ספר שולחן קפה שיצא לאור לאחרונה על ידי וויטסייד וצלם המדע פליצ'ה פרנקל. מדובר על דברים אקזוטיים באמת שנראים גדולים מאוד אך הם קטנים באופן יוצא דופן, מופרך, מדהים במיוחד - ננו-צינורות, נקודות קוונטיות, מכונות להרכבה עצמית.

ננו-טכנולוגיה היא, פשוט מוגדרת, המדע של מבנים הנמדדים בין ננומטר אחד, או מיליארדית המטר, לבין 100 ננומטר. (הקידומת "ננו" באה מהמילה היוונית לגמד.) עם זאת, לרוב האנשים, ההגדרה הזו אינה כה פשוטה. ניסיון להבין ננומטרים יכול לגרום לעיניים חוצות במהירות. גליון הנייר שעליו מודפסים מילים אלה הוא בעובי של 100, 000 ננומטר - קוטר שיער אדם, בערך החפץ הקטן ביותר שאדם יכול לראות בעיניים ללא עזרה. קוטר חיידק שיושב על גבי נייר זה בקוטר של כ -1, 000 ננומטר - מיקרוסקופי. לראות משהו שרק ננומטר אחד בגודלו היה בלתי אפשרי עד 1981, אז המציאו שני פיסיקאים של יבמ את המיקרוסקופ המנהני הראשון לסריקה. מיקרוסקופים קונבנציונליים משתמשים בעדשות כדי להגדיל את כל מה שקורה בקו הראיה. אבל סריקת מיקרוסקופים מנהורים עובדים יותר כמו אדם שקורא ברייל, נע על פני מבנים באמצעות חרט זעיר. הפיזיקאים, שזכו בפרס נובל רק כעבור חמש שנים, בנו חרט עם קצה שהיה רק ​​אטום אחד לרוחב (פחות מננומטר אחד). תוך כדי תנועה, החרט מגלה את מבנה החומר על ידי הקלטת משוב חשמלי ואז המיקרוסקופ מתרגם את ההקלטות לתמונות.

כעת, סוף סוף שניתן היה לראות דברים קטנים באמת - ממש אטומים בודדים - לבנים וכימאים אחרים התעניינו מאוד בחומרים ננומטריים. ומה שלמדו הדהים אותם. לחומרים הקטנים האלה, מסתבר, יש תכונות בלתי צפויות - היינו פשוט חסרי מושג עד שיכולנו לראות אותם מקרוב. מולקולות עם משטחים שונים - משטחים שבדרך כלל לא משתלבים היטב, אם בכלל - יכולות להיקלע פתאום. זכוכית, בדרך כלל מבודד של זרמים חשמליים, יכולה להוליך חשמל. חומרים שלא יכלו לשאת מטענים חשמליים הופכים לפתע למוליכים למחצה. זהב המתכת, בחלקיקים קטנים מספיק, יכול להופיע אדום או כחול.

"אחת הקסמות של הדברים הקטנים היא שהם מתבררים כל כך זרים, למרות קווי דמיון שטחיים בצורתם או בתפקודם של קרובי משפחה גדולים ומוכרים יותר, " כותב וויטסייד בספרו. "גילוי ההבדלים בקנה מידה הקטן ביותר מרתק להפליא, והשימוש בהם יכול לשנות (ושינה את העולם) את העולם."

מדענים יצרו צינורות פחמן, צילינדרים חלולים בקוטר שני ננומטר או פחות, שמתגלים כחומר החזק ביותר בעולם, חזק פי מאה מפלדה עם משקל שישית. הם יצרו חלקיקים של חלקיקים - רוחב פחות מ 100 ננומטר ושימושי לתמונות ביו-רפואיות מדויקות מאוד. מדענים יצרו גם חוטים ננו - חוטי סיליקון ברוחב 10 עד 100 ננומטר ומסוגלים להמיר חום לחשמל. יצרני אלקטרוניקה אומרים כי ננו-חוטים עשויים לעשות שימוש בחום הפסולת ממחשבים, מנועי מכוניות ומתחנות כוח.

כבר למעלה מ -1, 000 מוצרי צריכה משתמשים בצורה כזו או אחרת של ננו-טכנולוגיה (אף על פי שדוח של האקדמיה הלאומית למדעים משנת 2008 דחק במעקב טוב יותר אחר הסיכונים הבריאותיים והסביבתיים הפוטנציאליים מהננו-טכנולוגיה). המוצרים כוללים מסגרות אופניים חזקות וקלות יותר, טיפולי בדים המניחים נוזלים, קרם הגנה הדוחה את אור השמש טוב יותר, כרטיסי זיכרון למחשבים וציפויים עמידים בפני ערפל לעדשות משקפיים.

מדענים מפתחים חלקיקי ננו שיכולים לספק בדיוק את הכמות הנכונה של תרופה להרוג גידול, אך שום דבר אחר סביבו. חלקיקים אחרים יכולים לאתר זיהום כספית במים; יום אחד ניתן להשתמש בחלקיקים במסננים להסרת המתכת הרעילה.

הדברים הגדולים ומשנים החיים שעשויים מחומר קטן עדיין לפנינו. דברים כמו סוללות שיכולות להחזיק מעמד חודשים ארוכים וכוח מכוניות חשמליות, המיוצרים מחוטים שנבנו על ידי וירוסים - אנג'לה בלצ'ר ב- MIT עובדת על זה, והנשיא אובמה כל כך מתרגש מהטכנולוגיה שהוא נפגש איתה. (ראו "מהנדסים בלתי נראים".) מעבדת היולט-פקד, בראשותו של איש החזון ננוטק, סטן וויליאמס, רק הודיעה על שיתוף פעולה עם Shell לפיתוח מכשירים אולטרה-רגישים לגילוי נפט; באופן עקרוני, הם יכולים לרשום תזוזות ננומטריות בכדור הארץ הנגרמות כתוצאה מתנועות בשדות נפט. וויליאמס מכנה את המוצר "מערכת עצבים מרכזית לכדור הארץ."

הסיכוי של העולם להשתנות באופן מהותי בגלל ננו-טכנולוגיה הוא עדיין חלומי יותר מאשר אמיתי, אבל למומחים האפשרויות נראות כמעט אינסופיות. מדענים יצרו מבנים ננו-שיכולים להרכיב את עצמם, כלומר הם יכולים להיווצר לחפצים גדולים יותר עם מעט כיוון או חסר כיוון חיצוני. יום אחד חפצי דקה אלו יכולים, באופן תיאורטי, לבנות את עצמם למכונה שמייצרת יותר חלקיקים. כבר כיום, יבמ משתמשת בטכניקות הרכבה עצמית כדי לייצר בידוד בשבבי מחשב. מרכז ב- MIT המכונה המכון לננוטכנולוגיות חיילים עובד על שריון קרב בלתי ניתן להריסה שיכול להגיב לכלי נשק כימיים.

"בכל מקום שאתה מסתכל", אומר Whitesides, "אתה רואה קטעים וכולם מצביעים לכיוונים שונים."

Whitesides לא יודע בדיוק איך הוא הגיע לכאן. בהיותה הרווארד, המעבדה הזו, החיים האלה. כשגדל בעיירה קטנה בקנטאקי, בנם של עקרת בית ומהנדס כימיקלים, הוא התבלט בבית הספר. יום אחד, מורה התקשר להוריו ואמר שהוא רוצה לדבר איתם על בנם. ליבם שקע. "'מה עשה הממזר הקטן עכשיו?'". לבנה נזכר בתגובת הוריו.

המורה אמר, "אתה צריך להוציא את הילד שלך מכאן. קבעתי לו לנסוע לאנדובר. "

"מעולם לא שמעתי על אנדובר", אומר וויטסיידס כעת על בית הספר המוכן לעילית במסצ'וסטס. "אפילו לא ידעתי מה זה. לא ידעתי איפה ניו אינגלנד נמצאת. "

ואז, איכשהו, הוא בסופו של דבר הגיע להרווארד. "אני אפילו לא זוכר שהגשתי כאן מועמדות. בדיוק קיבלתי מכתב שבאותו שלב הודה בי. אז אני מניח שהגעתי לכאן במקרה. "

הוא המשיך בעבודות בוגר במכון הטכנולוגי בקליפורניה. בקטע ההכרה של עבודת הדוקטורט שלו, הוא הודה ליועצו, ג'ון ד. רוברטס, על "הכיוון המטופל והעקיפות שלו." מרבית הסטודנטים לתארים מתקדמים מעריכים כיוון של חונך, אומר וויטסיידס. "במקרה שלי הוא לא הכוון אותי בכלל. אני לא חושב שראיתי אותו בשנים שהייתי שם, אבל היו לנו יחסים נחמדים. "

לבנים לימדו ב- MIT כמעט 20 שנה לפני שהגיע בשנת 1982 להרווארד, שם הוא דבר נדיר. הוא קפיטליסט מתרגל, בתור התחלה. זה ממקד אותו ביישומים בעולם האמיתי, דבר שלא כל חבריו מעריצים, לדברי מארה פרנטיס, פרופסור לפיזיקה של הרווארד המלמדת איתו קורס ננו-טכנולוגיה. "ג'ורג 'מעריך אנשים רבים, אבל לא כולם מעריכים את הסגנון שלו, " היא אומרת. נראה שללבנים לא אכפת. "אני משער שזה שם בחוץ, " הוא אומר על כל איבה. אבל יש לו מעט מאוד זמן למי שחושב שלהופיע ב- CNN או לפתוח חברות זה גוש. הוא אומר שהם יכולים "פשוט לקחת סרוגה ולהניח אותה כאן" - הוא מצביע על אפו - "ולדחוף אותה."

טום טריטון, נשיא קרן המורשת הכימית, ארגון היסטוריה וחינוכית בפילדלפיה, אומר שאם תבקש ממישהו בתחום לרשום את שלושת הכימאים המובילים בעולם, וויטסיידס תעשה כל רשימה. "הרוחב העצום של האינטלקט שלו מדהים, " אומר טריטון. לאחר שקיבל את הפרס הגבוה ביותר של הקרן, מדליית הזהב Othmer, בילה וויטסיידס את היום עם תלמידי תיכון בעיר. טריטון אומר שתלמיד אחד הציע אחר כך את התבוננות זו: "הוא אולי מדען, אבל הוא ממש מגניב."

בליבה של כמעט כל מה שוויטסיידס עושה הוא סתירה: הוא עובד בתחומים מורכבים של פיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה, תוך שימוש בכלים מורכבים - לא רבים מעולם לא הפעילו מיקרוסקופ של כוח אטומי - ובכל זאת הוא אובססיבי לפשטות. בקש ממנו דוגמה לפשטות, והוא יגיד "גוגל". הוא לא מתכוון שאתה צריך לגוגל את המילה "פשטות". הוא מתכוון לדף הבית של גוגל, המלבן הרזרבי בשדה הלבן שאליו מיליוני אנשים הקלד מילים כדי למצוא מידע באינטרנט. Whitesides מהופנט בתיבה זו.

"אבל איך זה עובד?" הוא אומר. הוא משתתק, נושם נשימה. הוא נשען קדימה בכיסאו. עיניו נעשות גדולות. מצחו עולה, ואיתו משקפיו הגדולים מאוד. זה ג'ורג 'וויטסיידס שמתלהב.

"אתה מתחיל בבינארי, ובינארי הוא הצורה הפשוטה ביותר לחשבון", הוא אומר על מערכת האפסים והאפסים המשמשים לתכנת מחשבים. ואז הוא פותח בסיור מודרך היסטורי מאולתר של מתגים, טרנזיסטורים ומעגלים משולבים לפני שהוא חוזר, סוף סוף, לגוגל, "שלוקח מושג על מורכבות כה מדהימה - לארגן את כל המידע האנושי - ומכניס אותו לדבר הקטן הזה, בתוך קופסה."

הרעיון שמאחורי גוגל - הרתחת חנויות עצומות של חבילת חבילה קטנה ואלגנטית - הוא גם הרעיון שמאחורי הדבר שוויטסייד מחזיק כעת בידו, מעבדה כביכול בשבב שאינה גדולה יותר מחותמת דואר, שתוכננה. לאבחן מגוון מחלות כמעט ברמת הדיוק של מעבדה קלינית מודרנית.

הוא מיועד לעובדי בריאות באזורים מרוחקים של מדינות מתפתחות. הם יניחו טיפת דם או שתן של חולה על הבול; אם המחלה היא אחת מ -16 בערך שהחותמת יכולה לזהות, היא תשנה את הצבע בהתאם לנגע. ואז עובד הבריאות, או אפילו המטופל, יכול לצלם את הבול בעזרת מכשיר סלולרי. ניתן לשלוח את התמונה לרופא או למעבדה; יום אחד תוכנית מחשב עשויה לאפשר לטלפון הסלולרי עצמו לבצע אבחנה מהוססת.

"כדי לטפל במחלות צריך לדעת תחילה במה אתה מטפל - זה אבחון - ואז אתה צריך לעשות משהו, " אומר וויטסיידס בנאום סטנדרטי שהוא נשא בנושא הטכנולוגיה. "אז התוכנית שאנו עוסקים בה היא משהו שאנחנו מכנים אבחון לכולם, או אבחון בעלות אפס. איך אתה מספק מידע רלוונטי מבחינה רפואית בכמה שיותר קרוב לאפס עלות? איך אתה עושה את זה?"

אתה מתחיל בנייר, הוא אומר. זה לא יקר. זה סופג. זה צובע בקלות. כדי להפוך נייר לכלי אבחון, Whitesides מעביר אותו דרך מדפסת שעווה. המדפסת נמסה שעווה על הנייר ליצירת ערוצים עם מולקולות בגודל ננומטר בקצותיה. מולקולות אלה מגיבות עם חומרים בנוזלי גוף. הנוזל "מפיץ את עצמו לבארות או לחורים שונים אלה והופך צבעים", מסביר וויטסיידס. חשבו על בדיקת הריון. בול שהופך לכחול בפינה אחת, למשל, עשוי לחשוף אבחנה אחת; תבנית של צבעים אחרים הייתה מאבחנת אחרת. עלות ייצור חותמות אבחון היא 10 סנט כל אחד, וייטסיידס מקווה להפוך אותם לזולים יותר אפילו. כמעט כל פלאפון מתקדם עם מצלמה ניתן לתכנת לעיבוד תמונה של הבול.

"Whitesides עושה את העבודה המבריקה הזו ממש באמצעות נייר", אמר ביל גייטס לפני שנתיים. "ואתה יודע, זה כל כך זול וזה כל כך פשוט, זה יכול ממש לצאת ולעזור לחולים בדרך העמוקה הזו." זול ופשוט: התוכנית של Whitesides בדיוק. הוא הקים קבוצה ללא מטרות רווח, Diagnostics for All, כדי להביא את הטכנולוגיה למדינות מתפתחות. קרן Bill & Melinda Gates משקיעה בטכנולוגיה למדידת תפקודי הכבד, בדיקה הנחוצה להבטיח תרופות לאיידס עוצמתיות ושחפת אינן פוגעות באחד האיברים החשובים בגוף. נכון לעכשיו, בדיקת תפקודי הכבד באזורים מבודדים בעולם בדרך כלל יקרה מדי או קשה מדי מבחינה לוגיסטית, או שניהם. חותמת לבנים מפותחת גם כדי לאתר את הגורם לחום ממוצא לא ידוע ולזהות זיהומים. אב-טיפוס של חותמת תפקודי הכבד נבדק במעבדה, והתוצאות המוקדמות, טוענת וויטסיידס, מבטיחות יותר. השבב יתחיל לעבור בדיקות שדה בהמשך השנה.

שיטוט ברחבי במה בבוסטון - אירוע נדיר ביתי - Whitesides, בכומתו של הדייג שלו, מציג את חזונו כיצד תשמש את ההמצאה, לפעמים במקומות חסרי חוק: "ההשקפה שלי על עובד הבריאות של העתיד אינה רופא, אבל בן 18, מובטל אחרת, שיש לו שני דברים. יש לו תרמיל מלא בבדיקות האלה, ושרוך לנקוט מדי פעם דגימת דם, ו AK-47. ואלה הדברים שמעבירים אותו את יומו. "

זהו פיתרון פשוט למצב מורכב, במקום רחוק מהרווארד, אך העבודה על חותמת המעבדה היא בדיוק המקום בו וויטסיידס רוצה להיות. "מה שאני רוצה לעשות זה לפתור בעיות, " הוא אומר בחזרה למעבדה שלו, מחזיק במעבדה שלו על שבב. "ואם ננו היא הדרך הנכונה לפתור את הבעיה, אני אשתמש בזה. אם משהו אחר הוא הדרך הנכונה, אשתמש בזה. אני לא קנאי לננו-טכנולוגיה. אני לא קנאי לשום דבר. "פרט לכך, להביא משמעות לדברים שאף אחד אפילו לא יכול לראות. עבודתו יכולה לדחוף את הארכיטקטורה הקטנה להפליא של הננוטכנולוגיה לארכיטקטורה של חיי היומיום.

מייקל רוזנוולד כתב על החיפוש אחר נגיפי שפעת חדשים לגיליון סמית'סוניאן בינואר 2006.

בסקאלות קטנות מאוד, החומרים הנפוצים ביותר "מתבררים כל כך זרים", אומר ג'ורג 'וויטסיידס, ואוחז באב-טיפוס של שבב אבחון. (צילומי פאולה לרנר / אורורה) שברים פולימריים באורך של כמה אלפי ננומטר עוטפים סביב תחומי פולימר דקים אפילו יותר. (פליס סי. פרנקל) צינורות פחמן, המוצגים במודל שנוצר על ידי מחשב, הם החומרים החזקים והנוקשים ביותר שנוצרו אי פעם - למרות שאטומי הפחמן של הצינורות מוחזקים זה בזה על ידי סוג הקשרים הכימיים הנמצאים בעופרת בעיפרון. (פליס סי. פרנקל) מבנים ננומטריים מוזרים המכונים "נקודות קוונטיות" פולטים אורות צבעוניים ואינם דוהים. מוצגים כאן נקודות קוונטיות שצובעות את המבנים בתאים. (פליס סי. פרנקל) פשוט וזול הוא מה שווייסדס רוצה שההמצאות הננו-טכנולוגיות שלו יהיו. ניתן להשתמש במעבדה זו על חותמת נייר לבדיקת תפקודי הכבד. (צילומי פאולה לרנר / אורורה) למרות התוהו ובוהו שנראה במעבדה שלו, "אנו רגילים לייצר מבנים בדיוק מדויק בקנה מידה ננומטר, ולדעת היכן כל אטום נמצא", אומר וויטסיידס, המוצג כאן ועומד מול מדען פיתוח המוצר פטריק ביטי. "זה מה שאנחנו עושים למחייתו." (צילומי פאולה לרנר / אורורה)