George Whitesides vinden is vaak lastig, zelfs voor George Whitesides. Dus bewaart hij een envelop in zijn jaszak. "Ik weet eigenlijk niet waar ik in het algemeen ben tot ik ernaar kijk", zegt hij, "en dan merk ik dat ik in Terre Haute ben, en dan is de vraag eigenlijk: 'Wat is het volgende?'" Tijdens een de laatste tijd bleek uit de envelop dat hij in Boston, Abu Dhabi, Mumbai, Delhi, Basel, Genève, Boston, Kopenhagen, Boston, Seattle, Boston, Los Angeles en Boston was.
gerelateerde inhoud
- Onzichtbare techniek
- Signal Discovery?
De reden waarom Boston zo vaak opduikt, hoewel niet zo vaak als zijn vrouw verkiest, is dat Whitesides professor in de scheikunde is aan de Harvard University en Boston Logan zijn thuisluchthaven is. De reden voor alle andere steden is dat Whitesides 'bijdragen aan de wetenschap variëren in biologie, engineering, fysiologie, materiaalkunde, natuurkunde en, vooral tegenwoordig, nanotechnologie. Andere wetenschappers, regeringsleiders, uitvinders en investeerders wereldwijd willen van hem horen.
De uitvindingen en ideeën van Whitesides hebben meer dan een dozijn bedrijven voortgebracht, waaronder druggigant Genzyme. Geen enkel laboratorium van Harvard komt in de buurt van het aantal octrooien dat aan zijn naam is verbonden - 'ongeveer 90', zegt hij. Het citaat "GM Whitesides" verschijnt vaker in academische artikelen dan dat van bijna elke andere chemicus in de geschiedenis.
Dus Whitesides is zoiets als de Bono van de wetenschap, hoewel groter, meer draadachtig en op de leeftijd van 70, minder behaard. De pet van een Schotse visser bedekt bijna altijd zijn hoofd, zelfs voor een publiek. Hij heeft een diepe stem, met een kleine hint van zijn geboorteland Kentucky. De laatste tijd introduceert die stem het publiek voor een nieuw nanotechnologieproject gericht op het redden van levens in de ontwikkelingslanden. "Wat is de goedkoopste mogelijke dingen waar je een diagnosesysteem van kunt maken?" Vraagt hij. "Papier."
Op een stuk papier dat niet dikker of breder is dan een postzegel, heeft Whitesides een medisch laboratorium gebouwd.
Op een dag deze afgelopen winter werd Whitesides wakker in zijn eigen bed. Tegen 9 uur was hij in zijn kantoor vlak bij Harvard Yard. Hij droeg zijn typische outfit: een krijtstreeppak, een wit overhemd, geen das. Hij zette de dop van zijn visser op een vergadertafel voor een boekenplank met The Cell, Micro-elektronische materialen, fysische chemie, geavanceerde organische chemie en vertrouwde citaten van Bartlett .
Een tekst die niet op de plank lag was No Small Matter: Science on the Nanoscale, een nieuw gepubliceerd salontafelboek van Whitesides en de wetenschapsfotograaf Felice C. Frankel. Het gaat over echt exotische dingen die erg groot lijken, maar uitzonderlijk, absurd, verbazingwekkend klein zijn - nanobuisjes, kwantumstippen, zelf-assemblerende machines.
Nanotechnologie is, eenvoudig gedefinieerd, de wetenschap van structuren die meten tussen 1 nanometer of miljardste meter en 100 nanometer. (Het voorvoegsel 'nano' komt van het Griekse woord voor dwerg.) Toch is die definitie voor de meeste mensen niet zo eenvoudig. Het proberen om nanometers te begrijpen kan snel gekruiste ogen veroorzaken. Het vel papier waarop deze woorden zijn afgedrukt is 100.000 nanometer dik - de diameter van een mensenhaar, ruwweg het kleinste object dat een persoon met blote ogen kan zien. Een bacterie bovenop dit papier heeft een diameter van ongeveer 1.000 nanometer - microscopisch klein. Om iets te zien dat slechts één nanometer groot was, was onmogelijk tot 1981, toen twee IBM-fysici de eerste scanning tunneling microscoop uitvonden. Conventionele microscopen gebruiken lenzen om alles wat zich in het gezichtsveld bevindt te vergroten. Maar het scannen van tunnelingmicroscopen werkt meer als een persoon die braille leest en met een kleine stylus over het oppervlak van structuren beweegt. De natuurkundigen, die slechts vijf jaar later een Nobelprijs wonnen, bouwden een stylus met een punt van slechts één atoom (minder dan één nanometer). Terwijl het beweegt, detecteert de stylus de structuur van het materiaal door elektrische feedback op te nemen en vervolgens vertaalt de microscoop de opnames in afbeeldingen.
Nu dat echt kleine dingen - tot aan individuele atomen - eindelijk konden worden gezien, raakten Whitesides en andere chemici erg geïnteresseerd in materialen op nanoschaal. En wat ze leerden verbaasde hen. Het blijkt dat materialen die zo klein zijn, onverwachte eigenschappen hebben - we hadden geen idee totdat we ze van dichtbij konden zien. Moleculen met verschillende oppervlakken - oppervlakken die meestal niet goed combineren, of helemaal niet - kunnen plotseling binden. Glas, normaal gesproken een isolator van elektrische stromen, kan elektriciteit geleiden. Materialen die geen elektrische ladingen konden dragen, worden plotseling halfgeleiders. Het metaal goud, in voldoende kleine deeltjes, kan rood of blauw lijken.
"Een van de fascinaties van kleine dingen is dat ze zo vreemd blijken te zijn, ondanks oppervlakkige overeenkomsten in vorm of functie met grotere, meer bekende familieleden, " schrijft Whitesides in zijn boek. "Het ontdekken van deze verschillen op de kleinste schaal is geweldig boeiend, en het gebruik ervan kan de wereld veranderen (en heeft veranderd)."
Wetenschappers hebben koolstofnanobuisjes gemaakt, holle cilinders met een diameter van twee nanometer of minder, die het sterkste materiaal ter wereld blijken te zijn, 100 keer sterker dan staal met een zesde van het gewicht. Ze hebben nanodeeltjes gemaakt - minder dan 100 nanometer breed en nuttig voor zeer precieze biomedische beelden. Wetenschappers hebben ook nanodraden gemaakt - siliciumdraden van 10 tot 100 nanometer breed en in staat om warmte om te zetten in elektriciteit. Elektronicafabrikanten zeggen dat nanodraden gebruik kunnen maken van restwarmte van computers, automotoren en energiecentrales.
Reeds meer dan 1.000 consumentenproducten gebruiken een vorm van nanotechnologie (hoewel een rapport uit 2008 van de National Academy of Sciences aandrong op een betere monitoring van potentiële gezondheids- en milieurisico's van nanotechnologie). De producten omvatten sterkere en lichtere fietsframes, stoffenbehandelingen die vloeistoffen afbuigen, zonneschermen die zonlicht beter afstoten, geheugenkaarten voor computers en mistbestendige coatings voor lenzenvloeistof.
Wetenschappers ontwikkelen nanodeeltjes die precies de juiste hoeveelheid medicijnen kunnen afleveren om een tumor te doden, maar verder niets. Andere nanodeeltjes kunnen kwikverontreiniging in water detecteren; op een dag kunnen de deeltjes in filters worden gebruikt om het giftige metaal te verwijderen.
De grote, levensveranderende dingen gemaakt van kleine dingen liggen nog voor ons. Dingen zoals batterijen die maanden kunnen meegaan en elektrische auto's van stroom voorzien, gemaakt van nanodraden gebouwd door virussen - Angela Belcher van MIT werkt daar aan, en president Obama is zo enthousiast over de technologie die hij met haar heeft ontmoet. (Zie "Onzichtbare ingenieurs".) Een laboratorium van Hewlett-Packard, geleid door Stan Williams, nanotech-visionair, heeft zojuist een samenwerking met Shell aangekondigd om ultragevoelige apparaten te ontwikkelen om olie te detecteren; in principe kunnen ze nanoschaalverschuivingen in de aarde registreren die worden veroorzaakt door bewegingen in olievelden. Williams noemt het product een 'centraal zenuwstelsel voor de aarde'.
Het vooruitzicht dat de wereld fundamenteel verandert door nanotechnologie is nog steeds dromer dan echt, maar voor experts lijken de mogelijkheden bijna eindeloos. Wetenschappers hebben nanostructuren gemaakt die zichzelf kunnen assembleren, wat betekent dat ze grotere objecten kunnen vormen met weinig of geen externe richting. Op een dag zouden deze minuscule objecten zichzelf in theorie kunnen inbouwen in een machine die meer nanodeeltjes maakt. IBM gebruikt al zelf-assemblagetechnieken om isolatie in computerchips te produceren. Een centrum van het MIT, het Institute for Soldier Nanotechnologies, werkt aan onverwoestbare gevechtsuitrusting die kan reageren op chemische wapens.
"Overal waar je kijkt, " zegt Whitesides, "zie je stukjes en ze wijzen allemaal in verschillende richtingen."
Whitesides weet niet precies hoe hij hier is gekomen. Hier is Harvard, dit lab, dit leven. Hij groeide op in een klein stadje in Kentucky, de zoon van een huisvrouw en een scheikundig ingenieur, en stak het naar school. Op een dag belde een leraar zijn ouders en zei dat hij graag met hen over hun zoon wilde praten. Hun harten zonken weg. "'Wat heeft die kleine klootzak nu gedaan?'" Whitesides herinnert zich aan de reactie van zijn ouders.
De leraar zei: 'Je moet je kind hier weghalen. Ik heb geregeld dat hij naar Andover gaat. '
"Ik had nog nooit van Andover gehoord, " zegt Whitesides nu van de elite Massachusetts prep school. “Ik wist niet eens wat het was. Ik wist niet waar New England was. '
En toen ging hij op de een of andere manier naar Harvard. “Ik herinner me niet eens dat ik hier heb gesolliciteerd. Ik kreeg op een gegeven moment net een brief waarin ik werd toegelaten. Dus ik neem aan dat ik hier per ongeluk ben gekomen. '
Daarna ging hij afstuderen aan het California Institute of Technology. In het erkenningsgedeelte van zijn proefschrift bedankte hij zijn adviseur, John D. Roberts, voor "zijn geduldige richting en richting." De meeste afgestudeerde studenten waarderen de richting van een mentor, zegt Whitesides. “In mijn geval heeft hij me helemaal niet geregisseerd. Ik denk niet dat ik hem zag in de jaren dat ik daar was, maar we hadden een leuke relatie. "
Whitesides gaf bijna 20 jaar les aan het MIT voordat hij in 1982 aankwam op Harvard, waar hij een zeldzaamheid is. Hij is een praktiserende kapitalist, om te beginnen. Dat richt hem op toepassingen in de echte wereld, iets wat niet al zijn collega's bewonderen, volgens Mara Prentiss, een professor in Harvard natuurkunde die bij hem een cursus nanotechnologie geeft. "George wordt enorm bewonderd door veel mensen, maar niet iedereen waardeert zijn stijl", zegt ze. Whitesides lijkt het niet te kunnen schelen. "Ik neem aan dat het daar is", zegt hij over elke vijandigheid. Maar hij heeft heel weinig tijd voor degenen die denken dat verschijnen op CNN of startende bedrijven gauche is. Hij zegt dat ze 'gewoon een breinaald kunnen pakken en hier neerzetten' - hij wijst naar zijn neus - 'en hem erin kunnen schuiven.'
Tom Tritton, president van de Chemical Heritage Foundation, een geschiedenis- en onderwijsorganisatie in Philadelphia, zegt dat als je iemand in het veld vraagt om de drie beste chemici ter wereld te vermelden, Whitesides elke lijst zal maken. "De reikwijdte van zijn intellect is verbazingwekkend", zegt Tritton. Na het ontvangen van de hoogste onderscheiding van de stichting, de Gouden Medaille van Othmer, bracht Whitesides de dag door met middelbare scholieren in de stad. Tritton zegt dat een student later deze observatie aanbood: "Hij is misschien een wetenschapper, maar hij is echt cool."
De kern van bijna alles wat Whitesides doet, is een tegenstelling: hij werkt op complexe gebieden van natuurkunde, scheikunde, biologie en engineering, met behulp van complexe hulpmiddelen - niet veel mensen hebben ooit een atoomkrachtmicroscoop gehanteerd - en toch is hij geobsedeerd door eenvoud. Vraag hem om een voorbeeld van eenvoud, en hij zal zeggen: 'Google'. Hij bedoelt niet dat u het woord 'eenvoud' moet googelen. Hij bedoelt de Google-startpagina, de extra rechthoek op het witte veld waarin miljoenen mensen typ woorden om informatie op internet te vinden. Whitesides is gebiologeerd door deze box.
"Maar hoe werkt dat?" Zegt hij. Hij wacht even en haalt diep adem. Hij leunt naar voren in zijn stoel. Zijn ogen worden groot. Zijn voorhoofd gaat omhoog, en daarmee zijn zeer grote bril. Dit is George Whitesides die opgewonden raakt.
"Je begint met binair en binair is de eenvoudigste vorm van rekenen", zegt hij over het systeem van enen en nullen die worden gebruikt om computers te programmeren. Vervolgens begint hij aan een spontane, historische rondleiding door schakelaars, transistoren en geïntegreerde schakelingen voordat hij uiteindelijk terugkeert naar Google, “die een idee heeft van zo'n ongelooflijke complexiteit - om alle informatie van de mensheid te organiseren - en deze in dit kleine ding, in een doos."
Het idee achter Google - het samenbrengen van enorme hoeveelheden kennis in een elegant klein pakket - is ook het idee achter het ding dat Whitesides nu in zijn hand houdt, een zogenaamd laboratorium op een chip die niet groter is dan een postzegel, die is ontworpen om een diagnose te stellen van verschillende aandoeningen met bijna de precisie van een modern klinisch laboratorium.
Het is bedoeld voor gezondheidswerkers in afgelegen delen van ontwikkelingslanden. Ze zullen een druppel bloed of urine van een patiënt op de stempel plaatsen; als de kwaal een van de 16 is die de stempel kan herkennen, verandert deze van kleur volgens de aandoening. Vervolgens kan de gezondheidswerker, of zelfs de patiënt, een foto van de postzegel maken met een mobiele telefoon. De foto kan worden verzonden naar een arts of een laboratorium; op een dag kan een computerprogramma de mobiel zelf in staat stellen een voorlopige diagnose te stellen.
"Om ziekten te behandelen, moet je eerst weten wat je behandelt - dat is diagnostiek - en dan moet je iets doen, " zegt Whitesides in een standaard speech die hij over de technologie geeft. “Dus het programma waar we bij betrokken zijn, noemen we diagnostiek voor iedereen, of nul-kost diagnostiek. Hoe levert u medisch relevante informatie op tegen zo min mogelijk kosten? Hoe doe je het?"
Je begint met papier, zegt hij. Het is niet duur. Het is absorberend. Het kleurt gemakkelijk. Om papier in een diagnostisch hulpmiddel te veranderen, voert Whitesides het door een waxprinter. De printer smelt was op het papier om kanalen te creëren met nanometer-moleculen aan de uiteinden. Deze moleculen reageren met stoffen in lichaamsvloeistoffen. De vloeistof 'verdeelt zichzelf in deze verschillende putten of gaten en verandert in kleuren', legt Whitesides uit. Denk aan zwangerschapstest. Een stempel die in een hoek blauw wordt, kan bijvoorbeeld één diagnose onthullen; een patroon van andere kleuren zou een andere diagnosticeren. De kosten om diagnostische stempels te produceren zijn elk 10 cent, en Whitesides hoopt ze nog goedkoper te maken. Zowat elke geavanceerde mobiele telefoon met een camera kan worden geprogrammeerd om een afbeelding van de stempel te verwerken.
"Whitesides doet dit briljante werk letterlijk met papier, " zei Bill Gates twee jaar geleden. "En, weet je, het is zo goedkoop en het is zo eenvoudig dat het er echt uit kan komen en patiënten op deze diepe manier kan helpen." Goedkoop en eenvoudig: het plan van Whitesides precies. Hij vormde een non-profitgroep, Diagnostics for All, om de technologie naar ontwikkelingslanden te brengen. De Bill & Melinda Gates Foundation investeert in de technologie om de leverfunctie te meten, een test die nodig is om te verzekeren dat krachtige aids- en tuberculose-medicijnen geen van de belangrijkste organen van het lichaam beschadigen. Op dit moment is het testen van de leverfunctie in geïsoleerde delen van de wereld over het algemeen te duur of te logistiek moeilijk, of beide. Whitesides 'stempel wordt ook ontwikkeld om de oorzaak van koorts van onbekende oorsprong te achterhalen en infecties te identificeren. Een prototype van de leverfunctiestempel wordt getest in het laboratorium, en de vroege resultaten, zegt Whitesides, zijn meer dan veelbelovend. De chip zal later dit jaar veldtesten gaan ondergaan.
Slenterend over een podium in Boston - een zeldzaam thuissprekend evenement - legt Whitesides in zijn vissersmuts zijn visie op hoe de uitvinding zal worden gebruikt, soms op wetteloze plaatsen: "Mijn kijk op de gezondheidszorgmedewerker van de toekomst is niet een arts, maar een 18-jarige, anders werkloze, die twee dingen heeft. Hij heeft een rugzak vol met deze tests en een lancet om af en toe een bloedmonster te nemen en een AK-47. En dit zijn de dingen die hem door zijn dag heen helpen. '
Het is een eenvoudige oplossing voor een gecompliceerde situatie, op een plaats ver van Harvard, maar werken aan de labstempel is precies waar Whitesides wil zijn. “Wat ik wil doen, is problemen oplossen, ” zegt hij, terug in zijn laboratorium, terwijl hij zijn laboratorium op een chip houdt. “En als nano de juiste manier is om het probleem op te lossen, zal ik dat gebruiken. Als iets anders de juiste manier is, zal ik dat gebruiken. Ik ben geen fan van nanotechnologie. Ik ben eigenlijk geen fan van wat dan ook. ”Behalve dat het betekenis geeft aan dingen die niemand zelfs maar kan zien. Zijn werk zou de ongelooflijk kleine architectuur van nanotechnologie in de architectuur van het dagelijks leven kunnen duwen.
Michael Rosenwald schreef over de zoektocht naar nieuwe griepvirussen voor het januari 2006 nummer van Smithsonian .
Op zeer kleine schaal zijn de meest voorkomende materialen 'zo vreemd', zegt George Whitesides, met een prototype van een diagnostische chip. (Foto's van Paula Lerner / Aurora) 
Polymeerblad wikkelt een paar duizend nanometer lang rond nog kleinere polymeerbollen. (Felice C. Frankel) 
Koolstofnanobuisjes, weergegeven in een computergegenereerd model, zijn de sterkste en stijfste materialen die ooit zijn gemaakt - hoewel de koolstofatomen van de buizen bij elkaar worden gehouden door het soort chemische bindingen in potloodlood. (Felice C. Frankel) 
Vreemde structuren op nanoschaal, "quantum dots" genoemd, stralen gekleurd licht uit en vervagen niet. Hier worden kwantumstippen getoond die de structuren in cellen verven. (Felice C. Frankel) 
Eenvoudig en goedkoop is wat Whitesides wil dat zijn nanotechnologie-uitvindingen zijn. Dit laboratorium op een papieren stempel kan worden gebruikt om de leverfunctie te testen. (Foto's van Paula Lerner / Aurora) 
Ondanks de ogenschijnlijke chaos in zijn laboratorium, "zijn we gewend om structuren te maken met precisie op nanometerschaal en weten we waar elk atoom is", zegt Whitesides, hier afgebeeld bij Patrick Beattie, een productontwikkelaar. "Dat is wat we doen voor de kost." (Foto's van Paula Lerner / Aurora)
