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Des fusées en bouteille aux épinards bioniques
Michael Strano a déclenché des fusées à hydrogène quand il était enfant. Aujourd'hui, son laboratoire développe des nanocapteurs, des plantes bioniques, des fils de glace à l'échelle nanométrique et une toute nouvelle source d'énergie. 22 février 2017
Pour un laboratoire de génie chimique, l'espace de travail de Michael Strano présente un éventail inhabituel de verdure : épinards, cresson et roquette. Strano a introduit des nanoparticules dans les plantes, par le biais de leurs feuilles, pour leur donner de nouvelles capacités. Vous ne voudriez pas les manger, dit-il en montrant les salades vertes luxuriantes. Celui-ci est conçu pour briller comme une lampe de bureau, et celui-ci essaie de parler à votre téléphone portable. Il a également créé des plants d'épinards capables de détecter les explosifs dans le sol et de transmettre cette information à un observateur distant.
Strano travaille depuis longtemps avec les nanotubes de carbone et a été le pionnier de leur utilisation comme capteurs dans les plantes ainsi que chez les humains et les animaux. Il a également utilisé des nanoparticules pour améliorer les capacités des plantes, créant des dispositifs qui semblent friser la science-fiction, comme la plante comme lampe de bureau. En cours de route, il a découvert comment les nanotubes peuvent constituer une toute nouvelle source d'énergie. Son travail couvre la thermodynamique, la science des matériaux, la nanotechnologie et maintenant la biologie végétale - une confluence d'intérêts qui reste rare dans les hautes sphères universitaires.
Nous avons plusieurs écosystèmes en cours dans ce laboratoire, explique Mike Lee, un étudiant diplômé de Strano qui travaille sur des capteurs chez les poissons. C’est un gars tellement passionné et il y a tellement de choses à apprendre.
Chimie d'arrière-cour
L'histoire de Strano en matière de prise de risques créatifs a commencé très tôt. Ayant grandi en Pennsylvanie, il a bricolé avec la chimie et l'électronique. Son père, qui a commencé comme électricien pour Bell Telephone à Philadelphie, a ensuite déplacé la famille hors de la ville pour ouvrir un magasin d'électronique audio. À 10 ou 11 ans, Strano a compris comment électrolyser l'eau salée, en y faisant passer un courant pour libérer de l'hydrogène gazeux, qu'il a stocké dans des bouteilles en verre dans le congélateur. Lorsque son frère aîné, John, s'est demandé s'il avait, en fait, capté de l'hydrogène, Strano a montré qu'en insérant un fil chauffant à travers le bouchon pour enflammer le gaz, il pouvait tirer une bouteille de Snapple à 100 pieds dans les airs. Après cela, tout le monde était terrifié, dit-il. Mais pour moi, c'était presque magique. Je pourrais prendre ce gaz clair et surprendre les gens.
Quand Strano avait 12 ans, son père est décédé subitement d'une crise cardiaque, laissant sa mère avec cinq enfants (Strano était le deuxième plus âgé). Nous avons lutté, dit-il. Et la science était un exutoire productif de tout cela. En 1993, il est devenu le premier membre de sa famille à fréquenter l'université—Brooklyn Polytechnic, où il s'est concentré sur le génie chimique. Il attribue à l'école le mérite d'avoir fourni une solide base mathématique et analytique. C'était le genre d'endroit qui mettait l'accent sur l'enseignement et obligeait les étudiants à respecter des normes rigoureuses : toute la classe pourrait ne rien obtenir de plus qu'un B, dit-il.
Les ingénieurs n'ont pas été formés pour considérer les plantes comme le point de départ de la technologie.
En 1997, Strano a commencé un doctorat à l'Université du Delaware, travaillant à la fabrication de membranes de carbone poreuses qui pourraient faciliter les réactions chimiques. Il a également travaillé sur un projet, parrainé par DuPont, pour lequel il a conçu une membrane capable de séparer l'azote et l'oxygène de l'air sous pression. Alors que pratiquement tous ses collègues doctorants ont occupé des emplois dans l'industrie, Strano a décidé de poursuivre une carrière dans le milieu universitaire, passant à une bourse postdoctorale à l'Université Rice, à Houston.
Chez Rice, Strano a rejoint le laboratoire de Richard Smalley, un chimiste qui avait remporté le prix Nobel pour ses travaux sur une forme de carbone appelée buckyballs. J'étais le seul postdoc du labo, se souvient Strano, expliquant que Smalley, notoirement exigeant, avait en quelque sorte chassé tous les autres postdocs. Pourtant, il a réussi à prospérer sous Smalley, faisant briller des lasers sur des nanoparticules pour en savoir plus sur leurs propriétés électroluminescentes. En particulier, il s'est concentré sur les particules qui émettent de la lumière dans la partie proche infrarouge du spectre. Cette propriété lui a semblé importante car le corps humain est transparent à la lumière proche infrarouge.
Lorsqu'il est devenu professeur adjoint à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign en 2006, Strano a décidé d'étudier s'il pouvait introduire ces nanoparticules dans le corps, où elles pourraient agir comme des capteurs, se liant aux molécules et transmettant des informations à travers la peau par voie de fluorescence. En installant son nouveau laboratoire, il s'est consacré à cette vision. À l'époque, c'était une idée farfelue, dit-il, notant que peu de travail avait été fait pour savoir si les nanoparticules pouvaient servir efficacement de capteurs, ou même si elles seraient sûres. (Un premier critique sceptique a comparé l'idée de développer de tels nanocapteurs à mettre un ouvre-boîte dans le corps humain.) L'approche de Strano consistait à prendre des nanoparticules de carbone et à les enrober d'un polymère qui pourrait se lier au glucose et répondre à différentes concentrations de sucre. Lorsqu'un appareil externe porté par le patient projetait de la lumière à travers la peau, il provoquait la fluorescence des nanoparticules, avec des signatures qui variaient en fonction de ces concentrations de glucose. (Il a également mené des expériences sur des animaux pour montrer que les nanoparticules semblaient sûres.) Dès le début, Strano s'est concentré sur le glucose parce qu'il croyait que des capteurs implantables aideraient les personnes atteintes de diabète, comme le neveu de sa femme. Son objectif à court terme était d'éliminer la nécessité pour eux de se coller fréquemment pour mesurer la glycémie. Mais le but ultime est de développer un pancréas artificiel capable de mesurer la glycémie et administrer de l'insuline en temps réel.
En 2007, Strano a été recruté au MIT, où il a été titularisé en seulement deux ans. Il a poursuivi les travaux sur les nanocapteurs et, en 2009, il a montré que des nanotubes de carbone injectés sous la peau comme une sorte de tatouage pouvaient être utilisés pour mesurer la glycémie. Au fil du temps, il a également développé une foule d'autres capteurs. La technologie a détecté des molécules telles que le fibrinogène, qui est important pour la coagulation du sang, et l'oxyde nitrique, qui sert de molécule de signalisation clé dans le système cardiovasculaire et ailleurs. Il a également travaillé pour augmenter la sensibilité de ses capteurs. Dans un article cette année dans Nanotechnologie de la nature , il a dévoilé des capteurs capables d'identifier des molécules de protéines uniques.
THERMOPUISSANCE
Au début de son séjour au MIT, Strano a également découvert un nouveau mécanisme de génération d'énergie, entièrement par accident. En 2008, il avait commencé à travailler sur un projet, financé par l'US Air Force, pour développer de nouveaux actionneurs qui réagiraient rapidement à un déclencheur chimique. Dans le cadre de ses travaux, il a placé l'explosif TNT autour de la surface des nanotubes de carbone afin d'observer la vitesse à laquelle il s'enflamme dans cet environnement. Cependant, alors qu'il effectuait les mesures, il remarqua que la réaction produisait également une impulsion électrique importante et inattendue. En d'autres termes, la réaction du TNT à la surface d'un nanotube de carbone semblait convertir la chaleur de la réaction en électricité, générant des sursauts de puissance beaucoup plus importants que ne le prévoyait la théorie scientifique à l'époque.
Strano a été le premier à observer ce phénomène, qu'il a surnommé l'onde thermoélectrique. C'était une idée nouvelle et passionnante pour transformer une réaction chimique volatile en une impulsion électrique de très haute puissance, explique Kourosh Kalantar-Zadeh, directeur du Center for Advanced Electronics and Sensors de l'Université RMIT en Australie. Outre l'intérêt théorique qu'elle a eu pour les chimistes, la découverte a ouvert la porte à de nouvelles sources d'énergie. Dans certains contextes, les chercheurs ou les consommateurs peuvent souhaiter des sources capables de fournir de grandes quantités d'énergie sur de courtes périodes. Les ondes thermoélectriques rendraient cela possible, et elles pourraient en théorie rester inutilisées pendant des périodes indéfinies sans perdre d'énergie. Parce qu'elles reposent sur des liaisons chimiques pour le stockage, les sources d'énergie qui utilisent ce mécanisme ressembleraient plus à du carburant dans un réservoir d'essence qu'à, disons, une batterie de téléphone portable au lithium-ion qui se décharge lentement et s'éteint, explique Strano. Récemment, il a également montré que des ondes thermoélectriques peuvent être générées sans l'utilisation d'explosifs ou de températures élevées. Plus précisément, il a placé de l'acétonitrile sur des nanotubes et l'a laissé s'évaporer ; ce changement chimique, il s'avère, est suffisant pour générer le courant électrique. Strano et d'autres dans le monde ont commencé à expérimenter des dispositifs simples qui pourraient utiliser des ondes thermoélectriques, mais il dit que les applications n'en sont qu'à leurs débuts.
Le laboratoire de Strano a infusé des nanoparticules dans des semis d'épinards et de roquette, créant des plantes qui détectent les produits chimiques ou émettent de la lumière.
PLANTES BIONIQUES
Strano a d'abord tourné sa prodigieuse imagination vers la biologie végétale en 2009. Au départ, dit-il, il pensait que la remarquable capacité des plantes à régénérer des protéines clés pourrait inspirer des solutions à un problème d'énergie solaire : l'exposition au soleil dégrade progressivement de nombreux matériaux utilisés pour capter l'énergie solaire. énergie. En 2010, l'équipe de Strano a développé un ensemble de molécules synthétiques qui, maintenues dans une solution, peuvent s'assembler spontanément en une structure photovoltaïque ; la cellule se décompose lorsqu'un tensioactif est ajouté à la solution mais se réassemble rapidement une fois le tensioactif filtré. Peu de temps après, il a commencé à se concentrer sur les autres capacités physiologiques des plantes : par exemple, elles produisent leur propre énergie, pompent leur propre eau et consomment plus de dioxyde de carbone qu'elles n'en produisent. Dans mon domaine, les ingénieurs n'ont pas été formés pour considérer les plantes comme le point de départ de la technologie, dit Strano. Mais il a commencé à les considérer comme des réseaux microfluidiques dotés d'un mécanisme de transport interne des fluides, tandis que leurs chloroplastes, les structures où se déroule la photosynthèse, peuvent être assimilés à des batteries chimiques. Vous pouvez mettre en place une perspective simplifiée sur les plantes qui est très attrayante pour les ingénieurs comme moi, dit-il.
En 2011, Strano a embauché le biologiste Juan Pablo Giraldo en tant que boursier postdoctoral. Giraldo, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de Californie à Riverside, dit qu'il s'est senti stimulé pour aider à fusionner les mondes des nanomatériaux et de l'organique vivant. Dans un article de 2014 dans Matériaux naturels , l'équipe a montré que les plantes absorberaient des nanoparticules de carbone à travers les pores de la face inférieure de leurs feuilles, appelées stomates, et que ces particules pénétreraient ensuite dans les chloroplastes des plantes. Suite à cette découverte, les chercheurs ont introduit des nanoparticules qui permettaient aux feuilles d'absorber des longueurs d'onde de lumière que les plantes n'utilisent normalement pas, élargissant efficacement leur gamme photosynthétique. Les chercheurs ont également fourni des particules qui servent d'antioxydants et protègent ainsi les chloroplastes des dommages causés par une exposition intensive au soleil. En conséquence, ils ont pu augmenter le potentiel photosynthétique des plantes de 30 %. Cette découverte pourrait théoriquement être utilisée pour aider les plantes à mieux pousser dans des environnements à haute densité, où elles reçoivent une lumière limitée dans le domaine visible et pourraient bénéficier de la capacité à exploiter d'autres longueurs d'onde.
Dans le même article, Strano, Giraldo et leurs collègues ont également montré qu'ils pouvaient transformer les plantes en capteurs d'oxyde nitrique, un polluant qui contribue aux pluies acides. Les chercheurs l'ont fait en enveloppant des nanoparticules dans des polymères qui pourraient interagir sélectivement avec l'oxyde nitrique, puis en introduisant ces particules dans les plantes. Lorsque l'oxyde nitrique était présent, il modifiait la façon dont les nanoparticules sous-jacentes émettaient de la lumière. En 2016, le groupe de Strano a transformé les feuilles d'épinards en capteurs de composés nitroaromatiques, un type d'explosif, en incorporant des nanotubes de carbone recouverts de polymères sélectifs dans les feuilles. En théorie, si des nitroaromatiques étaient présents dans les eaux souterraines, les plantes pourraient les détecter et envoyer une notification à un appareil à proximité comme une caméra infrarouge connectée à un petit ordinateur, ou même un téléphone portable sans filtre infrarouge. (La pertinence pratique de ce système n'est pas tout à fait claire, mais il suggère une approche pour détecter les mines terrestres ou les polluants dans les eaux souterraines.)
Strano dit qu'il est particulièrement gratifiant de discuter de ce travail sur les plantes avec ses filles, qui ont 11, 9, 7 et 4 ans. Plantes bioniques, c'est en fait une conversation que vous pouvez avoir avec un enfant de sept ans, dit-il. Strano et sa famille vivent à Lexington, Massachusetts, qui possède d'excellentes écoles publiques ; mais comme sa fille aînée était assez âgée pour aller à l'école maternelle, lui et sa femme, Sally, une ancienne mathématicienne, ont plutôt choisi de faire l'école à la maison. Ils appartiennent à une coopérative d'enseignement à domicile, qui se réunit une fois par semaine et fournit une certaine structure, mais une grande partie de leur approche est libre (à l'exception des mathématiques, qui, selon Strano, nécessitent des exercices quotidiens). Les filles passent de longues heures à la bibliothèque, lisant seules. Deux d'entre eux ont récemment accompagné leur père lors d'un voyage au Japon, où ils ont appris la culture japonaise et quelques mots de la langue.
Bien sûr, Strano est particulièrement enthousiaste à l'idée d'enseigner la science aux enfants. Je prends mon mandat au sérieux, dit-il. J'ai quatre filles, et je ne peux pas garantir qu'elles iront toutes dans les STEM, mais ça se dirige dans cette direction. Lui et sa femme encouragent les enfants à concevoir des expériences et à poursuivre les domaines de recherche qui les intéressent. Le garçon de 11 ans, qui aime tailler et bricoler, a réalisé un projet sur la façon dont la boue à base de fécule de maïs glisse sur un plan incliné. L'enfant de neuf ans, qui adore les oiseaux, a utilisé une caméra accélérée pour étudier quelles espèces se nourrissaient ensemble dans une mangeoire à oiseaux. Les filles font également des visites régulières au laboratoire de Strano, où elles ont une vue directe sur les projets de leur père.
Parmi les activités les plus ludiques en cours dans le laboratoire figurent les appareils électroniques fabriqués à partir de plantes. Strano et ses étudiants se concentrent en particulier sur les télécommandes, qui communiquent normalement grâce à l'énergie infrarouge. En modifiant les plantes avec des nanoparticules afin qu'elles libèrent de l'énergie infrarouge au bon moment – en réponse, par exemple, au désir d'un consommateur d'allumer la télévision – les chercheurs pourraient permettre aux plantes de remplir la même fonction que ces gadgets. Nous pensons que nous pouvons remplacer certains des appareils qui sont actuellement en plastique, dit Strano, ajoutant que l'objectif est de créer une classe d'électronique plus verte. Un défi dans l'imitation des télécommandes, cependant, est que leur signalisation se produit très rapidement, de l'ordre de quelques millisecondes, et les plantes n'aiment pas se déplacer aussi vite. (On s'interroge également sur le sort des appareils électroniques à base de plantes, qui nécessitent de l'eau, lorsque leurs propriétaires humains partent en vacances. Les appareils devraient s'arroser eux-mêmes, dit Strano.)
Mike Lee, qui est un étudiant diplômé de deuxième année, est chargé de garder un grand aquarium de poissons rouges dans le sous-sol du laboratoire et de développer des capteurs à base de nanoparticules qui peuvent leur être injectés pour détecter leurs concentrations d'hormone de stress, ou cortisol. Le projet est une collaboration avec des scientifiques de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah en Arabie saoudite, qui prévoient de relâcher des poissons dans la mer Rouge, en analysant leurs niveaux de cortisol en réponse aux conditions environnementales.
Plus récemment, Strano a fait une découverte surprenante sur le comportement de l'eau elle-même dans les limites des nanotubes de carbone. Dans un article publié dans Nanotechnologie de la nature en novembre, il a montré qu'à l'intérieur d'un nanotube d'un diamètre bien précis, à des températures allant jusqu'à au moins 105 °C, l'eau formait un solide, un peu comme de la glace. Lorsque le fluide se trouve dans un environnement confiné, son comportement de phase est déformé, mais il s'agit d'un cas extrême, dit-il. Les chercheurs pourraient être en mesure de créer de minuscules fils constitués d'eau solide, qui seraient stables à température ambiante et conduiraient les protons avec une grande efficacité, comme l'eau est connue pour le faire. Cela pourrait, par exemple, s'avérer utile pour développer de meilleures piles à hydrogène. Strano dit qu'il est ravi d'explorer les propriétés des nanofils de glace, mais il ajoute que le jury ne sait pas s'ils seront utiles.