Å finne George Whitesides er ofte vanskelig selv for George Whitesides. Så han holder en konvolutt i jakkelommen. "Jeg vet faktisk ikke hvor jeg er generelt før jeg ser på det, " sier han, "og så finner jeg ut at jeg er i Terre Haute, og da er spørsmålet egentlig 'Hva er det neste?'" Under en nylig strekning, avslørte konvolutten at han var i Boston, Abu Dhabi, Mumbai, Delhi, Basel, Genève, Boston, København, Boston, Seattle, Boston, Los Angeles og Boston.
Relatert innhold
- Invisible Engineering
- Signalfunnelse?
Årsaken til at Boston dukker opp så ofte, men ikke så ofte som kona foretrekker, er at Whitesides er professor i kjemi ved Harvard University, og Boston Logan er hans hjemlige flyplass. Årsaken til alle de andre byene er at Whitesides 'bidrag til vitenskapen spenner fra biologi, ingeniørfag, fysiologi, materialvitenskap, fysikk og spesielt i disse dager nanoteknologi. Andre forskere, regjeringsledere, oppfinnere og investorer over hele verden ønsker å høre fra ham.
Whitesides oppfinnelser og ideer har gitt flere enn et dusin selskaper, inkludert medisingiganten Genzyme. Ingen Harvard-laboratorier kommer i nærheten av å samsvare med antallet patenter knyttet til navnet hans - "omtrent 90, " sier han. Sitatet "GM Whitesides" vises oftere i akademiske artikler enn det til nesten noen annen kjemiker i historien.
Så Whitesides er noe som vitenskapens Bono, selv om den er høyere, mer trådløs og i en alder av 70 år, mindre hirsute. En skotsk fiskerhette dekker nesten alltid hodet, selv foran et publikum. Han har en dyp stemme, med lite snev av sitt hjemland Kentucky. Den siste tiden har denne stemmen introdusert publikum til et nytt nanoteknologiprosjekt for å redde liv i utviklingsland. “Hva er de billigste mulige tingene du kan lage et diagnosesystem ut av?” Spør han. "Papir."
På et stykke papir som ikke er tykkere eller bredere enn et frimerke, har Whitesides bygget et medisinsk laboratorium.
En dag den siste vinteren våknet Whitesides i sin egen seng. Klokka 9 var han på kontoret like ved Harvard Yard. Han hadde på seg det typiske antrekket: en pinstripedrakt, hvit skjorte, uten slips. Han satte sin fiskerhette på et konferansebord foran en bokhylle som inneholdt The Cell, Microelectronic Materials, Physical Chemistry, Advanced Organic Chemistry og Bartlett's Familiar Quotations .
En tekst som ikke var på sokkelen var No Small Matter: Science on the Nanoscale, en nyutgitt sofabordbok av Whitesides og vitenskapsfotografen Felice C. Frankel. Det handler om virkelig eksotiske ting som ser ut til å være veldig store, men som er eksepsjonelt, absurd, forbløffende små — nanorør, kvanteprikker, selvmonterende maskiner.
Nanoteknologi er, ganske enkelt definert, vitenskapen om strukturer som måler mellom 1 nanometer, eller milliarddel meter, og 100 nanometer. (Prefikset "nano" kommer fra det greske ordet for dverg.) For de fleste er den definisjonen likevel ikke så enkel. Å prøve å forstå nanometre kan raskt indusere kryssede øyne. Papirarket disse ordene er trykt på er 100 000 nanometer tykt - diameteren til et menneskehår, omtrent det minste objektet en person kan se med uhjulpet øyne. En bakterie som sitter på toppen av dette papiret er omtrent 1 000 nanometer i diameter - mikroskopisk. Å se noe bare en nanometer i størrelse var umulig før i 1981, da to IBM-fysikere oppfant det første skanningstunnelmikroskopet. Konvensjonelle mikroskop bruker linser for å forstørre hva som er i siktlinjen. Men skanning av tunnelmikroskop fungerer mer som en person som leser blindeskrift, og beveger seg over overflaten av strukturer ved å bruke en liten pekepenn. Fysikerne, som vant en Nobelpris bare fem år senere, bygde en pekepenn med et tips som bare var ett atom på tvers (mindre enn en nanometer). Når det beveger seg, oppdager pennen materialets struktur ved å registrere elektrisk tilbakemelding, og deretter oversetter mikroskopet opptakene til bilder.
Nå som virkelig små ting - helt ned til individuelle atomer - endelig kunne sees, ble Whitesides og andre kjemikere veldig interessert i nanoskala-materialer. Og det de lærte overrasket dem. Materialer som dette lille, viser det seg, har uventede egenskaper - vi var bare uklare til vi kunne se dem på nært hold. Molekyler med forskjellige overflater - overflater som vanligvis ikke kombineres bra, om ikke - kan plutselig binde seg. Glass, vanligvis en isolator av elektriske strømmer, kan lede strøm. Materialer som ikke kunne bære elektriske ladninger, blir plutselig halvledere. Metallgullet, i små nok partikler, kan virke rødt eller blått.
"En av fascinasjonene ved små ting er at de viser seg å være så fremmede, til tross for overfladiske likheter i form eller funksjon til større, mer kjente slektninger, " skriver Whitesides i sin bok. "Å oppdage disse forskjellene i minste skala er fantastisk engasjerende, og å bruke dem kan endre (og har forandret) verden."
Forskere har laget karbon nanorør, hule sylindre med to nanometer eller mindre i diameter, som viser seg å være det sterkeste materialet i verden, 100 ganger sterkere enn stål med en sjettedel av vekten. De har laget nanopartikler - mindre enn 100 nanometer brede og nyttige for veldig presise biomedisinske bilder. Forskere har også laget nanotråd - silisiumtråder 10 til 100 nanometer brede og i stand til å konvertere varme til elektrisitet. Elektronikkprodusenter sier at nanotrådene kan benytte spillvarme fra datamaskiner, bilmotorer og kraftverk.
Allerede bruker mer enn 1000 forbrukerprodukter en eller annen form for nanoteknologi (selv om en rapport fra 2008 fra National Academy of Sciences oppfordret til bedre overvåking av potensielle helse- og miljømessige risikoer fra nanoteknologi). Produktene inkluderer sterkere og lettere sykkelrammer, stoffbehandlinger som avleder væsker, solkremer som frastøter sollyset bedre, minnekort til datamaskiner og tåkesikre belegg for brilleglass.
Forskere utvikler nanopartikler som kan levere akkurat den rette mengden medisin for å drepe en svulst, men ikke noe annet rundt den. Andre nanopartikler kan oppdage kvikksølvforurensning i vann; en dag kan partiklene brukes i filtre for å fjerne det giftige metallet.
De store, livsendrende tingene laget av små ting ligger fremdeles foran oss. Ting som batterier som kan vare i måneder og drive elektriske biler, laget av nanotråder bygget av virus - Angela Belcher ved MIT jobber med det, og president Obama er så begeistret for teknologien at han har møtt henne. (Se “Invisible Engineers”.) Et Hewlett-Packard-laboratorium, ledet av nanotech-visjonær Stan Williams, kunngjorde nettopp et partnerskap med Shell for å utvikle ultresensitive enheter for å oppdage olje; i prinsippet kan de registrere nanoskala skift i jorden forårsaket av bevegelser i oljefelt. Williams kaller produktet et "sentralnervesystem for jorden."
Utsiktene til at verden grunnleggende endres på grunn av nanoteknologi er fremdeles drømmende enn reelle, men for eksperter virker mulighetene nesten uendelige. Forskere har laget nanostrukturer som kan samles selv, noe som betyr at de kan forme seg til større gjenstander med liten eller ingen ytre retning. En dag kunne disse minuttobjektene, teoretisk sett, bygge seg inn i en maskin som lager flere nanopartikler. Allerede bruker IBM selvmonteringsteknikker for å produsere isolasjon i databrikker. Et senter ved MIT kalt Institute for Soldier Nanotechnologies jobber med uforgjengelig kamprustning som kan reagere på kjemiske våpen.
"Overalt hvor du ser, " sier Whitesides, "ser du stykker, og de peker alle i forskjellige retninger."
Whitesides vet ikke nøyaktig hvordan han kom hit. Her er Harvard, dette laboratoriet, dette livet. Han vokste opp i en liten by i Kentucky, sønnen til en hjemmeværende og en kjemisk ingeniør, og stakk ut på skolen. En dag ringte en lærer foreldrene sine og sa at han ville snakke med dem om sønnen deres. Hjertene deres sank. "'Hva er den lille jævelen gjort nå?'" Whitesides husker foreldrenes reaksjon.
Læreren sa: "Du må få barnet ditt ut herfra. Jeg har lagt til rette for at han skal reise til Andover. ”
"Jeg hadde aldri hørt om Andover, " sier Whitesides nå om eliten Massachusetts skole. “Jeg visste ikke engang hva det var. Jeg visste ikke hvor New England var. ”
Og så endte han på en eller annen måte opp med å delta på Harvard. “Jeg husker ikke engang at jeg hadde søkt her. Jeg har akkurat fått et brev på et tidspunkt som innrømmet meg. Så jeg antar at jeg kom hit ved en tilfeldighet. ”
Han fortsatte videreutdanning ved California Institute of Technology. I anerkjennelsesdelen av doktorgradsavhandlingen takket han sin rådgiver, John D. Roberts, for “hans pasientretning og indirekte retning.” De fleste hovedfagsstudenter verdsetter en mentors retning, sier Whitesides. “I mitt tilfelle rettet han meg ikke i det hele tatt. Jeg tror ikke jeg så ham i årene jeg var der, men vi hadde et fint forhold. ”
Whitesides underviste på MIT i nesten 20 år før han ankom 1982 i Harvard, hvor han er noe av en sjeldenhet. Han er en praktiserende kapitalist, for det første. Dette fokuserer ham på applikasjoner i den virkelige verden, noe ikke alle kollegene beundrer, ifølge Mara Prentiss, en Harvard-fysikkprofessor som underviser i et nanoteknologi-kurs sammen med ham. "George er sterkt beundret av mange mennesker, men ikke alle setter pris på stilen hans, " sier hun. Whitesides ser ikke ut til å bry seg. "Jeg antar at det er der ute, " sier han om all fiendtlighet. Men han har veldig liten tid til de som tror at å dukke opp på CNN eller starte selskaper er gauche. Han sier at de kan "bare ta en strikkepinne og legge den her" - han peker på nesen - "og skyve den."
Tom Tritton, president for Chemical Heritage Foundation, en historie- og utdanningsorganisasjon i Philadelphia, sier at hvis du ber noen i feltet om å liste over verdens topp tre kjemikere, vil Whitesides lage hver liste. "Den store bredden av intellektet hans er forbløffende, " sier Tritton. Etter å ha mottatt stiftelsens høyeste utmerkelse, Othmer gullmedalje, tilbrakte Whitesides dagen sammen med elever på videregående skole i byen. Tritton sier at en student senere tilbød denne observasjonen: "Han kan være en vitenskapsmann, men han er virkelig kul."
Kjernen i nesten alt Whitesides gjør er en selvmotsigelse: Han jobber innen komplekse felt av fysikk, kjemi, biologi og ingeniørfag, ved å bruke komplekse verktøy - ikke mange mennesker har noen gang utøvd et atomkraftmikroskop - og likevel er han besatt av enkelhet. Be ham om et eksempel på enkelhet, og han vil si: "Google." Han mener ikke at du skal Google ordet "enkelhet." Han mener Googles hjemmeside, det ekstra rektanglet på det hvite feltet hvor millioner av mennesker skriv ord for å finne informasjon på Internett. Whitesides fascineres av denne boksen.
“Men hvordan fungerer det?” Sier han. Han tar en pause og trekker pusten. Han lener seg fremover i stolen. Øynene hans blir store. Pannen hans går opp, og med den hans veldig store briller. Dette er George Whitesides som blir spent.
"Du starter med binær, og binær er den enkleste formen for aritmetikk, " sier han om systemet med nuller og nuller som brukes til å programmere datamaskiner. Deretter lanserer han i en improvisert historisk guidet omvisning av brytere, transistorer og integrerte kretsløp, før han til slutt returnerer til Google, “som tar en ide om så utrolig kompleksitet - å organisere all menneskehetens informasjon - og legger den inn i denne lille tingen, i en boks."
Ideen bak Google - å koke ned store lagre av kunnskap i en elegant liten pakke - er også ideen bak tingen Whitesides nå holder i hånden, et såkalt laboratorium på en chip som ikke er større enn et frimerke, som er designet å diagnostisere en rekke plager med nesten presisjonen til et moderne klinisk laboratorium.
Den er beregnet på helsearbeidere i avsidesliggende deler av utviklingsland. De vil plassere en dråpe blod eller urin på pasienten på stempelet; hvis plagen er en av de 16 eller så at stempelet kan gjenkjenne, vil det endre farge i henhold til plagen. Da kan helsearbeideren, eller til og med pasienten, ta et bilde av stempelet med en mobiltelefon. Bildet kan sendes til lege eller laboratorium; en dag kan et dataprogram tillate at mobiltelefonen selv kan stille en tentativ diagnose.
"For å behandle sykdom må du først vite hva du behandler - det er diagnostikk - og så må du gjøre noe, " sier Whitesides i en standardtale han holder om teknologien. “Så programmet vi er involvert i, er noe vi kaller diagnostikk for alle, eller nullkostnadsdiagnostikk. Hvordan gir du medisinsk relevant informasjon så nært som mulig null kostnader? Hvordan gjør du det?"
Du begynner med papir, sier han. Det er billig. Det er absorberende. Det farger lett. For å gjøre papir om til et diagnostisk verktøy, fører Whitesides det gjennom en voksskriver. Skriveren smelter voks på papiret for å lage kanaler med nanometer-størrelse molekyler i endene. Disse molekylene reagerer med stoffer i kroppslige væsker. Væsken "fordeler seg i disse forskjellige brønnene, eller hullene, og gjør farger, " forklarer Whitesides. Tenk graviditetstest. Et stempel som blir blått i det ene hjørnet, for eksempel, kan avsløre en diagnose; et mønster av andre farger ville diagnostisere en annen. Kostnaden for å produsere diagnostiske stempler er 10 øre hver, og Whitesides håper å gjøre dem enda billigere. Omtrent hvilken som helst avansert mobiltelefon med kamera kan programmeres til å behandle et bilde av stempelet.
"Whitesides gjør dette strålende arbeidet bokstavelig talt ved å bruke papir, " sa Bill Gates for to år siden. "Og du vet, det er så billig og det er så enkelt, det kan faktisk komme ut og hjelpe pasienter på denne dype måten." Billig og enkel: Whitesides 'plan nøyaktig. Han dannet en nonprofit-gruppe, Diagnostics for All, for å bringe teknologien til utviklingsland. Bill & Melinda Gates Foundation investerer i teknologien for å måle leverfunksjon, en test som er nødvendig for å sikre at kraftige aids- og tuberkulosemedisiner ikke skader et av kroppens viktigste organer. Akkurat nå er testing av leverfunksjon i isolerte deler av verden generelt for dyrt eller for logistisk vanskelig, eller begge deler. Whitesides 'stempel utvikles også for å kartlegge årsaken til feber av ukjent opprinnelse og identifisere infeksjoner. En prototype av leverfunksjonsstemplet blir testet i laboratoriet, og de tidlige resultatene, sier Whitesides, er mer enn lovende. Brikken begynner å gjennomgå feltprøving senere i år.
Å spasere over et stadium i Boston - en sjelden hemmesnakkende hendelse - legger Whitesides i sin fiskerhette fram sin visjon for hvordan oppfinnelsen skal brukes, noen ganger på lovløse steder: ”Mitt syn på fremtidens helsearbeider er ikke en lege, men en 18-åring, ellers arbeidsledig, som har to ting. Han har en ryggsekk full av disse testene, og en lanset for å av og til ta en blodprøve, og en AK-47. Og dette er tingene som får ham gjennom dagen hans. ”
Det er en enkel løsning for en komplisert situasjon, på et sted langt fra Harvard, men å jobbe med labstemplet er akkurat der Whitesides ønsker å være. "Det jeg vil gjøre er å løse problemer, " sier han tilbake på laboratoriet og holder laboratoriet på en brikke. “Og hvis nano er den rette måten å løse problemet på, bruker jeg det. Hvis noe annet er den rette måten, bruker jeg det. Jeg er ikke en iver for nanoteknologi. Jeg er faktisk ikke en iver etter noe. ”Bortsett fra det, for å bringe mening til ting som ingen en gang kan se. Hans arbeid kunne skyve den utrolige små arkitekturen i nanoteknologi inn i arkitekturen i hverdagen.
Michael Rosenwald skrev om letingen etter nye influensavirus i januar 2006-utgaven av Smithsonian .
På veldig små skalaer viser de vanligste materialene seg å være så fremmede, sier George Whitesides og holder en prototype av en diagnostisk brikke. (Bilder fra Paula Lerner / Aurora) 
Polymerfronter noen tusen nanometer lange vikler rundt enda tynnere polymersfærer. (Felice C. Frankel) 
Karbon nanorør, vist i en datamaskingenerert modell, er de sterkeste og stiveste materialene som noen gang er skapt - selv om rørenes karbonatomer holdes sammen av den typen kjemiske bindinger som finnes i blyant bly. (Felice C. Frankel) 
Merkelige nanoskala-strukturer som kalles "kvanteprikker" avgir fargede lys og falmer ikke. Her vises kvanteprikker som farger strukturene i celler. (Felice C. Frankel) 
Enkelt og billig er hva Whitesides ønsker at hans nanoteknologiske oppfinnelser skal være. Denne laben på et papirstempel kan brukes til å teste leverfunksjon. (Bilder fra Paula Lerner / Aurora) 
Til tross for det tilsynelatende kaoset i laboratoriet hans, "er vi vant til å lage strukturer med presisjon i nanometerskala, og vite hvor hvert atom er, " sier Whitesides, som her vises sammen med produktutviklingsforsker Patrick Beattie. "Det er det vi gjør for å leve." (Bilder fra Paula Lerner / Aurora)
