Stuart Lindsay, Arizona State University Regents professor och chef för Biodesign Institutes Center for Single Molecule Biophysics, har precis släppt den första omfattande guiden till en liten värld som är miljon gånger mindre än ett enda sandkorn. Introduktion till nanovetenskap (publicerad av Oxford University Press) ger läsarna en översikt över en framväxande disciplin som har under de senaste åren, producerade anmärkningsvärda prestationer inom områden så varierande som DNA-sekvensering, molekylära maskiner, nanokristaller och mikroskopi.

n diskutera drivkraften för boken, Lindsay noterar att hans långtgående forskning alltid har kopplats till en passion för att lära ut biofysiska koncept till begåvade studenter. Introduktion till nanovetenskap erbjuder också forskare över hela världen en första i sitt slag, allomfattande behandling av nanovetenskap. Boken integrerar flera discipliner och spänner över grundläggande kvantfenomen, branschens verktyg, och applikationer i nanoskala. Under denna översikt, Lindsay återvänder om och om igen till temat emergent beteende – hur små fluktuationer på nanoskalanivå kan resultera i utseendet av slående, ofta oväntade nya fenomen.

Boken är en utväxt av professor Lindsays föreläsningar i nanovetenskap, förfinad under många år, med ovärderlig input från sina elever. Oxford University Press fick reda på kursen och, att tro att det skulle vara en bra resurs, begärde att Lindsay skulle samla ihop materialet till en bok.

"Vad är så slående, "Lindsay insisterar, "är att händelser som inträffar på nanoskala har konsekvenser för kemin, biologi, fysik, materialvetenskap, teknik, you name it." Ändå, nanoriket saknade en lärobok som kunde dra samman fältets disparata element. "Det är lite anmärkningsvärt att kunskapen inte fanns där på ett samlat sätt. Jag satte ihop en kurs som var väldigt omfattande, börjar med fysik och slutar med biologi, " han säger.

Med tanke på den rasande takten i vetenskapliga framsteg, särskilt inom nanovetenskap, Lindsay stod inför en skrämmande utmaning. "Jag visste att vissa aktuella problem inom området skulle bli föråldrade när mina fingrar lämnade tangentbordet." I hopp om att producera ett verk som kan förbli relevant, Lindsay valde att inkludera en mängd grundläggande principer som skulle vara brett tillämpliga, oavsett de nya förhållanden som eleverna sannolikt kommer att möta i framtiden.

Boken är uppdelad i tre delar. Del I (Grunderna) är en fristående introduktion till kvantmekanik, statistisk mekanik och kemisk kinetik, kräver endast grundläggande högskolekalkyl. Del II (Verktygen) täcker mikroskopi, manipulation och mätning av en enda molekyl, nanotillverkning och självmontering. Del III (Applikationer) täcker elektroner i nanostrukturer, molekylär elektronik, nanomaterial och nanobiologi. "Om du vandrar runt i labbet, Lindsay säger, "du kommer att se hundörade kopior av Xeroxed-versionen av boken vid elevernas skrivbord - det är verkligen ett kompendium av allt jag tror att de behöver veta inom nanovetenskap."

Livet i nanovärlden kan vara oroande för den oinvigde, så distinkt är dess funktion jämfört med vardagsupplevelsen. En nanometer är ungefär 10, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår. Slumpmässiga fluktuationer dominerar scenen och, som Lindsay betonar, tillhandahålla livsviktigt råmaterial som darwinistiska selektiva processer fungerar på. "Ju mer jag studerar komponenterna i biologi, desto mer skulle jag säga att fluktuationer inte bara är en olägenhet att leva med - de är faktiskt historien om biologi."

Detta ledmotiv går igenom hela boken, som förenar många olika områden av nanovetenskap. En sådan häpnadsväckande illustration av detta centrala tema förekommer nära slutet av texten, där Lindsay går igenom viktig forskning om neural utveckling hos fruktflugan. Slumpmässiga fluktuationer i genuttryck och splitsning tjänar till att blanda det genetiska däcket för att producera ett enormt antal varianter av proteiner med klibbiga ändar, som är avgörande för korrekt neural sammansättning. När antalet av dessa splitsningsvarianter i en viss gen reducerades från ungefär 30, 000 till 20, 000, varelserna kunde inte bilda ordentliga hjärnor. "Utvecklingen av ett neuralt nätverk i en hjärna involverar interaktionen mellan ett otroligt mångsidigt och slumpmässigt sammansatt darwinistiskt tärningskast av neurala kopplingar och en miljö som selektivt agerar på resultaten, " säger Lindsay.

Introduktion till nanovetenskap är ett viktigt bidrag till ett av de mest dynamiska områdena, inriktad på att inspirera en ny typ av ung forskare – en genomsyrad av en multidisciplinär vetenskaplig kultur. "Denna annorlunda utbildade och mångsidiga grupp begåvade ungdomar kommer inte bara att producera vetenskapliga genombrott i sina egna rättigheter, Lindsay säger, "de är också människorna som kommer att starta nästa generations företag som genererar välstånd och driver den nationella ekonomin och de kommer att skapa nya saker med sina hjärnor eftersom de har lärt sig nya sätt att tänka."