Världsberömda nanovetare och kemister Chad Mirkin, direktören för International Institute for Nanotechnology (IIN) vid Northwestern University, och Teri Odom, IIN:s biträdande direktör, sätt dig ner för att diskutera miniatyriseringens guldålder och hur "vetenskapen om små saker" främjar stora framsteg.

IIN, grundades 2000, gör stora framsteg inom nanoteknik och frodas på ett stort sätt. Nanovetenskap och teknik – ett område fokuserat på att studera och manipulera molekyler och material med dimensioner på 1 till 100 nanometer längdskalan (1 nm =en miljarddels meter) – förutsågs 1959 av fysikern Richard Feynman och möjliggjordes med tillkomsten av elektron- och sveptunnelmikroskopen på 1980-talet. Det engagerar forskare från hela världen över många discipliner. De använder sådana verktyg för att utforska, och till slut lösa, några av världens mest angelägna frågor inom medicin, teknik, energi, och försvar.

Vi sitter i ett samtal mellan Mirkin och Odom för att se vart detta spännande fält är på väg.

F:Ditt team upptäckte teknologin för sfärisk nukleinsyra (SNA), där små partiklar kan dekoreras med korta bitar av DNA eller RNA. Med skapandet av SNA, du har i princip tagit kända molekyler, omorganiserade dem i nanoskala till bollliknande former, och ändrade deras egenskaper. Vad är potentialen för en sådan upptäckt, och vilka spännande genombrott är nära horisonten?

Mirkin:Två riktigt lovande områden där vi tillämpar SNA-teknologi är biomedicin och genreglering – idén att man kan skapa sätt att använda DNA- och RNA-baserade SNA som potenta nya läkemedel. Till exempel, vi kan lägga SNA i kommersiellt tillgängliga krämer, som Aquaphor, och applicera dem topiskt för att behandla hudsjukdomar. Det finns mer än 200 hudsjukdomar med en känd genetisk grund, gör de DNA- och RNA-baserade SNA:erna till en allmän strategi för behandling av hudsjukdomar. Konventionella DNA- och RNA-konstruktioner baserade på linjära nukleinsyror kan inte levereras på detta sätt – de penetrerar inte huden. Men, SNA kan på grund av sin unika arkitektur som förändrar hur de interagerar med biologiska strukturer och i synnerhet, receptorer på hudceller som känner igen dem, men inte linjärt DNA eller RNA. SNA kan också användas för att behandla sjukdomar i urinblåsan, kolon, lunga, och ögon - organ och vävnader som också är svåra att behandla med traditionella medel.

F:Nanoteknik är ett tvärvetenskapligt område där kemi, medicin och ingenjörskonst möts för att skapa innovativa lösningar för en hel rad frågor. Ett område är fotonik, där framsteg på nanoskala förändrar hur vi kommunicerar. Hur?

Odom:Vi försöker minska storleken på lasrar, som vanligtvis är makroskopiska enheter, ner till nanometerskalan. Möjligheten att designa nanomaterial som kan styra produktion och styrning av ljus - som består av enskilda partiklar som kallas fotoner - kan förändra en rad olika tekniker. Till exempel, kommunikation baserad på fotoner (som i optiska fibrer) kontra elektroner (som i koppartrådar) är snabbare och mycket mer effektiv. Tillämpningar som utnyttjar ljus kan lätt omvandlas med nanoteknik.

F:Nanoteknik har revolutionerat de grundläggande vetenskaperna, påskynda deras translationella effekter. Till exempel, din kollega Samuel Stupp, chef för Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology i Northwestern, är på gränsen till att genomföra kliniska prövningar i spinal regenerering genom "mjuka" nanoteknologiska genombrott. Har nanoteknik också revolutionerat den traditionella vetenskapliga metoden, för?

Mirkin:Lusten att komma med en lösning på ett givet problem leder ofta forskare att utveckla nya förmågor. Det är det spännande med vetenskap i allmänhet, men om nanoteknik i synnerhet:vi har ofta mål, som drivs av ingenjörsbehov, men längs vägen upptäcker vi fundamentalt intressanta principer som vi inte förutsåg och som informerar vår syn på världen omkring oss. Dessa upptäckter tar oss in på nya vägar – sådana som kan vara ännu mer intressanta än de ursprungliga vi var på. Detta är grundläggande vetenskaplig forsknings natur och betydelse.

Odom:Nano ger grunderna. Men då, vi anpassar oss, baserat på dessa oväntade egenskaper, samtidigt som vi har våra långsiktiga mål i åtanke. Det är ganska snyggt. Du kan justera på sätt som håller upptäckten och kreativiteten i framkant. Utan det, vi alla skulle ha tråkigt.

F:Nobelpristagaren Sir Fraser Stoddart, John Rogers, William Dichtel, Milan Mrksich och Stupp är bara några av de många stora namnen i det nordvästra nanoteknologiska samhället. Vad gör Northwestern rätt och vad är den globala effekten?

Mirkin:Det här är tunga slagare, människor som kan åka var som helst i världen, men de valde att komma till Northwestern eftersom de insåg att detta är en mycket speciell tid i vår historia. Vi är på en otrolig bana här, och de vill vara en del av det.

Odom:Vi har ett holistiskt sätt att utbilda nya lärare och doktorander eftersom vi vill att de ska ha en komplett bild av allt som händer här. Så här gör vi vetenskap på Northwestern, och vi tillämpar det verkligen på nanoteknik. En del av vår framgång som kemiavdelning har kommit från vår förmåga att göra saker, att mäta dem, och att modellera dem — jag tycker om att tänka på denna integration som "3Ms"-principen. Våra prestationer inom nanoteknik har byggts på dessa tre synergistiska kompetensområden.

Mirkin:Det börjar verkligen med talang i världsklass, och sedan samarbete. Du kan samarbeta vad du vill, men om du inte har talang i världsklass, det spelar ingen roll. Eftersom vi går all-in på den medicinska sidan, på 15 år gick jag från att ha noll samarbeten med läkarutbildningen, att nu ha 17. Det finns en naturlig interaktion här mellan läkare, vetenskapsmän, och ingenjörer som gör allas arbete så mycket starkare. Inom de närmaste fem åren, Jag räknar med att det kommer att finnas cancerbehandlingar baserade på nanoteknik som avsevärt förbättrar resultaten och, i vissa undergrupper av sjukdomar, leder faktiskt till botemedel.