Hjärnsensorer och elektroniska taggar som löses upp. Öka potentialen för förnybara energikällor. Det här är exempel på den senaste forskningen från två banbrytande forskare som valts ut som årets Kavli-föreläsare vid American Chemical Society (ACS) 247:e National Meeting &Exposition.
Mötet innehåller fler än 10, 000 presentationer från gränserna för kemisk forskning, och hålls här till och med torsdag. Två av dessa samtal stöds av Kavli Foundation, en filantropisk organisation som uppmuntrar grundläggande vetenskaplig innovation. Dessa föreläsningar, som är en höjdpunkt på konferensen, rikta strålkastarljus på arbetet hos både unga och etablerade forskare som tänjer på vetenskapens gränser för att ta itu med några av världens mest angelägna problem.
Att ta itu med hälso- och hållbarhetsfrågor samtidigt, John Rogers, Ph.D., utvecklar en enorm verktygslåda med material – från magnesium och kisel till silke och till och med rispapper – för att göra biologiskt nedbrytbar elektronik som potentiellt kan användas i en rad olika tillämpningar. Han kommer att hålla "The Fred Kavli Innovations in Chemistry Lecture."
"Vad vi finner är att det finns en robust och mångsidig palett av materialalternativ på alla nivåer, sa Rogers, som är med University of Illinois, Urbana-Champaign. "För konduktören, för halvledaren, för isoleringsskiktet och förpackningen och substratet, man kan välja och vraka material beroende på applikationens krav."
Rogers team arbetar med att införliva några av dessa element i sensorer som kan, till exempel, upptäcka tidigt debut av svullnad och temperaturförändringar i hjärnan efter huvudskador och sedan försvinna när de inte längre behövs. I dag, enheter som är designade för dessa ändamål är trådbundna – de måste implanteras och senare helt avlägsnas när de inte längre behövs. Rogers sensor kan implanteras men fungerar trådlöst och, efter användning, "försvinn helt enkelt." Det eliminerar risken för infektion och andra komplikationer i samband med att behöva ta bort enheter kirurgiskt. Rogers har framgångsrikt testat tidiga prototyper av sensorer i laboratoriedjur och föreställer sig att sådana enheter kan användas en dag i mänskliga patienter.
Hans grupp arbetar också med biologiskt nedbrytbara radiofrekvensidentifieringsetiketter, eller RFID-taggar. För närvarande, RFID:er produceras i miljarder och används i allt från jeans för exakt spårning av lager till smarta kort och injiceras i husdjur. De finns även i produktförpackningar som hamnar på deponier. Använda cellulosa, zink och kisel, Rogers har framgångsrikt gjort upplösbara RFID-taggar i labbet. Nästa steg skulle vara att ta reda på hur man kan skala upp produktionen och kommersialisera den.
"Vi är ganska optimistiska, " sa Rogers. "Vi ser vägen framåt och är ungefär halvvägs där."
Emily Weiss håller "The Kavli Foundation Emerging Leader in Chemistry Lecture" Ph.D., vid Northwestern University. Hennes labb är fokuserat på att få ut så mycket kraft som möjligt ur blandade och matchade nanomaterial som utvecklas för att maximera förnybara energikällor. Forskare kan nu konstruera dessa material med oöverträffad precision för att fånga upp stora mängder energi – till exempel, från solen och värmekällor. Men att få all energi från dessa material och driva ut den i världen för att driva hem och prylar har varit stora hinder.
"Elektrisk ström kommer från elektroners rörelse genom ett material, Weiss förklarade. "Men när de rör sig genom ett material eller en enhet, de möter platser där de måste hoppa från en typ av material till en annan vid det som kallas ett gränssnitt. Genom gränssnitt, Jag menar platser där delar av materialet som inte är helt lika möts. Problemet är när en elektron måste passera från ett material till ett annat, det tappar energi."
När strukturer i material blir mindre, gränssnittsproblemet förstärks eftersom nanomaterial har större yta jämfört med volymen. Så elektroner i dessa avancerade enheter måste färdas över fler och fler gränssnitt, och de förlorar energi som värme varje gång.
Men tack vare de senaste framstegen inom analytiska instrument och datorkraft, Weiss grupp är redo att vända denna nackdel till ett plus. "Istället för att se alla dessa gränssnitt som negativa, nu behöver vi inte betrakta det som en nackdel, " sa hon. "Vi kan designa ett gränssnitt så att vi kan bli av med defekter och bli av med denna avmattning. Vi kan faktiskt använda noggrant utformade gränssnitt för att förbättra egenskaperna hos din enhet. Den sortens filosofi börjar få fäste."
