TR 100 Nanotech

La nanotechnologie - la science de la construction et de la manipulation de structures au niveau moléculaire - promet de nouvelles perspectives et des solutions inattendues à un large éventail de problèmes existants dans les semi-conducteurs, l'optique, la détection et la biotechnologie. De nombreux lauréats du TR100 de cette année, déterminés à faire de nouvelles percées, se tournent vers la nanotechnologie pour acquérir un niveau sans précédent de précision, de contrôle et de flexibilité dans la création de nouveaux matériaux et dispositifs. Les nanomatériaux inventés par ce groupe d'élite promettent tout, de l'électronique plus rapide et plus petite aux thérapies plus efficaces et ciblées. Lorsque vous atteignez les échelles de longueur nanométrique, vous pouvez obtenir des propriétés uniques, explique Yi Cui de l'Université de Californie à Berkeley. La catégorie Nanotech+ du TR100 comprend un large éventail d'innovations et de recherches dans les domaines de la science des matériaux et de l'énergie. Mais c'est à l'échelle de l'ultrasmall que bon nombre des TR100 de cette année apportent leurs plus grandes contributions.

Une grande partie de l'action est en biomédecine. C'est parce que les nanomatériaux ont juste la bonne taille pour interagir avec d'importants acteurs biologiques, tels que les protéines, les molécules d'ADN et les virus. L'application de la nanotechnologie aux problèmes biomédicaux est une solution naturelle, dit Darrell Irvine , professeur de génie biomédical au MIT.

Irvine aide à construire de meilleurs vaccins contre des maladies telles que le paludisme et le cancer en concevant des nanoparticules d'un polymère synthétique. Les nanoparticules, qui portent des molécules stimulantes et des antigènes spécifiques, sont captées par les cellules immunitaires, déclenchant une réponse immunitaire. En raison de leur petite taille, les nanoparticules peuvent livrer les molécules avec un haut niveau de précision à des récepteurs spécifiques à l'intérieur des cellules. Cela signifie un meilleur contrôle de la force et du type de la réponse immunitaire résultante, ce qui devrait rendre les vaccins plus efficaces. Irvine a récemment commencé à travailler avec des chercheurs en médecine de l'Université Harvard pour étudier des matériaux qui pourraient être utilisés pour administrer un vaccin contre le VIH.

Albena Ivanisevic , professeur de chimie à l'Université Purdue, utilise une technique appelée nanolithographie au crayon pour aider à résoudre un problème central pour les ingénieurs tissulaires qui espèrent réparer les parties du corps endommagées : contrôler la croissance précise des cellules à des endroits spécifiques. Ivanisevic recouvre les pointes microscopiques de molécules peptidiques nourrissantes pour les cellules ; les pointes déposent ensuite les peptides sur une surface. La capacité d'organiser ces molécules peptidiques avec une précision à l'échelle nanométrique donne à Ivanisevic un meilleur contrôle sur la manière et l'endroit où les cellules se développeront à la surface, formant finalement de nouveaux tissus pour le corps.

La nanotechnologie ouvre également de nouvelles possibilités à ceux qui travaillent pour exploiter ou manipuler plus efficacement la lumière. Comme toute personne ayant déjà dû changer une ampoule peut s'en douter, l'éclairage à incandescence conventionnel est basé sur une technologie vieille de 150 ans, et les chercheurs recherchent avec impatience de nouvelles façons de prolonger la durée de vie et d'augmenter l'efficacité des matériaux électroluminescents. L'un des jouets préférés des chercheurs dans le domaine est les points quantiques - des nanoparticules de matériau semi-conducteur qui émettent différentes couleurs de lumière en fonction de leur taille. Et Vladimir Boulovie , professeur de génie électrique au MIT, utilise ces nano-points résistants aux couleurs vives pour réinventer l'ampoule. À partir des points quantiques, Bulovic a construit de nouvelles diodes électroluminescentes qui peuvent être incorporées dans des matériaux flexibles comme le plastique et devraient durer beaucoup plus longtemps que les ampoules classiques. Alors que d'autres, dont Bulovic lui-même, ont déjà développé des diodes électroluminescentes organiques, Bulovic affirme que les points quantiques peuvent prolonger leur durée de vie effective, les rendant ainsi plus largement utilisables. Il espère produire un matériau flexible électroluminescent très efficace et durable d'ici un à deux ans.

Marcel Bruchez , scientifique en chef du développement de produits chez Quantum Dot de Hayward, en Californie, recrute également les nanoparticules incandescentes, mais pour l'imagerie biologique et le développement de diagnostics. Les points quantiques émettent de la lumière beaucoup plus longtemps que les colorants conventionnels utilisés pour suivre l'activité à l'intérieur des cellules vivantes, et leurs couleurs variées signifient que les chercheurs peuvent simultanément imager plusieurs événements et mieux comprendre le fonctionnement interne des cellules. Pour Bruchez, l'avantage de travailler avec les nanomatériaux est qu'ils ouvrent de toutes nouvelles façons de penser les problèmes. Cela vous donne une plus grande flexibilité dans la manipulation des matériaux et dans leur mise en place où vous voulez qu'ils aillent, dit Bruchez.

Les chercheurs en électronique à la recherche de circuits toujours plus petits et plus rapides font également des progrès grâce à la nanotechnologie. L'industrie du silicium est déjà en régime nano, souligne Kinneret Keren, chercheur à l'Université de Stanford. Maintenant, ils essaient davantage pour le régime moléculaire. Cela signifie utiliser des molécules telles que les nanotubes de carbone pour construire des circuits électriques de nouvelle génération. Alors que d'autres chercheurs ont déjà fabriqué des transistors à partir de nanotubes semi-conducteurs individuels, Keren a décidé d'aborder le processus d'assemblage de tels transistors. Son astuce consistait à attacher des morceaux d'ADN complémentaires à un nanotube et à une plaquette de silicium ; parce que les deux morceaux d'ADN se sont naturellement liés l'un à l'autre, ils ont fait le travail de rapprochement du nanotube et de la plaquette de manière à produire un transistor. Bien que le procédé de Keren reste une prouesse de laboratoire, il pourrait éventuellement offrir une nouvelle méthode de fabrication efficace de minuscules circuits dans lesquels chaque transistor est une seule molécule.

Alors que des chercheurs comme Keren recrutent des biomolécules pour aider à fabriquer de l'électronique, Mayank Bulsara s'en tient au silicium traditionnel - mais le manipule de nouvelles manières. Bulsara, cofondateur et directeur de la technologie d'AmberWave Systems de Salem, NH, développe une nouvelle forme de silicium qui promet de rendre les puces informatiques 20 % plus rapides tout en réduisant la consommation d'énergie de 30 à 40 %. La clé est d'étirer un cristal de silicium en séparant ses atomes de quelques millièmes de nanomètres, comme un élastique, explique Bulsara. Cet étirement modifie les propriétés du matériau de sorte que les électrons qui le traversent sont moins susceptibles d'entrer en collision avec des atomes de silicium, de se disperser et de ralentir. Bulsara espère mettre sur le marché des puces contenant du silicium étiré en grandes quantités d'ici la fin de l'année prochaine.

Les TR100 de cette année commencent tout juste à démontrer les résultats des incursions de la nanotechnologie dans de nouveaux territoires passionnants, mais transposer leur travail dans le monde réel pose ses propres problèmes. Le plus grand défi consiste à trouver des moyens de produire des nanomatériaux sur des zones suffisamment grandes, explique Bulovic. Mais lorsque ce défi sera enfin relevé, ne soyez pas surpris si les étoiles montantes que vous lirez dans les prochaines pages font partie de celles qui ont aidé à montrer la voie.

TR100 Startups en Nanotech+
Innovateur	Société fondée/cofondée	Technologie/Jalons
Marcel Bruchez	Point quantique (Hayward, Californie)	Nanocristaux fluorescents en matériau semi-conducteur pour le marquage biologique et le diagnostic ; plus de 1000 clients
Mayank Bulsara	Systèmes AmberWave (Salem, NH)	Du silicium contraint pour des dispositifs à base de semi-conducteurs plus rapides et moins gourmands en énergie ; les produits contenant cette technologie pourraient être largement disponibles d'ici la fin de 2005
Leroy Ohlsen	Neah Power Systems (Bothell, WA)	Piles à combustible à base de silicium pour ordinateurs portables et autres appareils électroniques portables; le premier produit pourrait être sur le marché en 2006

Profils nanotechnologiques

Marcel Bruchez
Âge : 31 | Cofondateur et scientifique principal | Point quantique
Il y a six ans, Marcel Bruchez, alors étudiant diplômé à l'Université de Californie à Berkeley, a montré que les points quantiques – des particules lumineuses d'à peine quelques nanomètres de large – pouvaient être utilisés pour marquer des protéines à l'intérieur des cellules. En quelques mois, Bruchez a cofondé Quantum Dot pour commercialiser le nouvel outil d'imagerie auprès des biologistes et des développeurs de médicaments à la recherche d'une image plus détaillée des événements moléculaires. C'est l'une des premières applications commerciales de la nanotechnologie, dit Bruchez.

Yi Cui
Âge : 28 | Chargé de recherche | Université de Californie, Berkeley
Alors que certains chercheurs en nanotechnologie créent les éléments de base de nouveaux matériaux, d'autres, comme Yi Cui, jouent un rôle tout aussi important en assemblant ces blocs et en franchissant les prochaines étapes vers des applications pratiques. La capacité de Cui à contrôler finement l'assemblage de nano blocs de construction a conduit à de nouveaux dispositifs qui peuvent se retrouver dans des puces de dépistage du cancer, des ordinateurs quantiques et des cellules solaires.

En tant qu'étudiant au doctorat en chimie à l'Université Harvard, Cui a fait un travail de pionnier sur les nanofils, en utilisant une combinaison de lasers et de vapeurs chimiques pour cajoler le silicium afin de former de minuscules fils qui non seulement conduisaient les électrons, mais pouvaient également éteindre et allumer un courant comme un transistor. Cui a même fabriqué des nanofils dont la commutation dépendait de la présence de protéines spécifiques, afin qu'ils puissent servir de biocapteurs ultrasensibles dans les tests de dépistage des premiers signes de cancer de la prostate.

À Berkeley, Cui a continué à maîtriser l'art de construire des dispositifs fonctionnels à l'échelle nanométrique. Plus récemment, il a trouvé des moyens de relier avec précision de nouveaux types de nanoblocs de construction appelés nanotétrapodes – des points de matériau de quelques nanomètres de large, chacun avec quatre nanotiges qui rayonnent dans différentes directions. Alors que d'autres chercheurs ont déjà fabriqué des nanotétrapodes, Cui peut en relier bon nombre pour créer un réseau de circuits et contrôler finement leurs propriétés électriques. Nous pouvons faire en sorte que les nanotétrapodes s'auto-assemblent selon le modèle dont nous avons besoin, y compris des réseaux de transistors, explique Cui. En raison de leur petite taille, ces circuits pourraient en théorie être plusieurs fois plus rapides que les circuits des puces informatiques actuelles.

En organisant les nanotétrapodes en réseaux de branchement, Cui les a transformés d'un ingrédient brut en quelque chose qui pourrait être intégré à de vrais dispositifs, tels que des cellules solaires. Et parce que les nanotétrapodes sont suffisamment petits pour enregistrer la présence d'électrons individuels, ils pourraient même tirer parti des propriétés quantiques étranges des particules subatomiques, formant la base de nouveaux types d'ordinateurs qui fonctionneront des milliers de fois plus vite que les machines les plus rapides d'aujourd'hui. Bien que cette application soit dans de nombreuses années, Cui a déjà démontré la possibilité de construire de nouvelles structures en utilisant les ingrédients de base de la nanotechnologie.

Leroy Ohlsen
Âge : 30 | Fondateur et directeur de la technologie | Neah Power Systems
Les piles à combustible qui fonctionnent au méthanol peuvent alimenter les téléphones portables et les ordinateurs portables, mais elles sont chères et pas très puissantes. Leroy Ohlsen, fondateur de Neah Power Systems de Bothell, WA, a remplacé les membranes en plastique des cellules, qui retirent les électrons du méthanol pour produire de l'électricité, par du silicium poreux. Non seulement le silicium nous donne plus de puissance, dit Ohlsen, mais il pourrait également réduire les coûts de fabrication. Attendez-vous aux premières piles à combustible de l'entreprise en 2006.

Molly Stevens
Âge : 30 | Conférencier | collège impérial de Londres
La scientifique des matériaux Molly Stevens pense que lorsqu'il s'agit de détecter les changements dans l'environnement, rien ne vaut les systèmes biologiques. C'est pourquoi elle se tourne vers les molécules biologiques pour créer des nanomatériaux intelligents qui pourraient conduire à de nouveaux dispositifs implantables de détection et d'administration de médicaments.

De tels dispositifs détecteraient rapidement les changements physiologiques dans le corps, tels qu'une augmentation du cholestérol, et réagiraient en libérant la dose appropriée d'un médicament stocké. C'est du moins la vision. Mais s'en rendre compte nécessitera de nouveaux types de matériaux qui se comportent différemment dans différentes conditions chimiques.

Stevens a récemment montré qu'elle pouvait contrôler le comportement des nanoparticules d'or en modifiant le pH de la solution dans laquelle elles sont en suspension. Elle a attaché les particules à des molécules peptidiques spécialement conçues qui, dans les bonnes conditions de pH, interagissent les unes avec les autres pour rassembler les particules en une structure organisée. Un changement de pH modifie la forme des peptides afin qu'ils se repoussent et que les particules se dispersent. Nous prenons le meilleur de la créativité de la nature et l'utilisons pour nous-mêmes, déclare Stevens.

L'expérience montre qu'il est possible de créer des matériaux qui se remodèlent automatiquement en réponse aux changements chimiques dans le corps. Un tel matériau pourrait produire des dispositifs d'administration de médicaments implantables qui agissent comme leurs propres capteurs biologiques.

Stevens exploite la polyvalence des peptides pour la prochaine étape de son travail. Elle conçoit maintenant les peptides afin qu'ils changent de forme de manière plus subtile et plus variée. Un dispositif d'administration de médicaments fabriqué à l'aide de tels peptides serait plus sensible aux changements physiologiques et pourrait offrir plus de contrôle sur une multitude de dosages de médicaments différents. Si son nouveau projet réussit, Stevens aura joué un rôle déterminant en rendant non seulement les nanomatériaux, mais aussi l'administration de médicaments beaucoup plus intelligente.

Vladimir Boulovie
Âge : 34 ans
Professeur agrégé, MIT
Utilise des semi-conducteurs organiques et nanostructurés dans des dispositifs tels que des diodes électroluminescentes, des lasers, des photodétecteurs et des capteurs chimiques. Des start-ups ont concédé sous licence plusieurs de ses 30 brevets américains.

Mayank Bulsara
Âge : 32 ans
Cofondateur et directeur de la technologie, AmberWave Systems
AmberWave, société basée à Salem, à NH, pour développer du silicium contraint, une forme avancée de silicium qui permet aux puces informatiques de fonctionner plus rapidement et de consommer moins d'énergie.

Dustin Carr
Âge : 34 ans
Membre principal du personnel technique, Sandia National Laboratories
Crée des dispositifs en silicium à l'échelle nanométrique capables de détecter des mouvements à l'échelle subatomique. Les nanodétecteurs pourraient être utilisés, par exemple, dans des accéléromètres ultraprécis pour la navigation aérienne.

Martin Culpepper
Âge : 32 ans
Professeur assistant, MIT
Construit les machines nécessaires pour faire de la nanofabrication de haute qualité et à faible coût une réalité. Ses nanomanipulateurs sont plus flexibles et offrent des performances plus élevées que les versions existantes - à un vingtième du coût.

La Joie de Delmau
Âge : 33
Membre du personnel de recherche, Laboratoire national d'Oak Ridge
A aidé à résoudre des problèmes fondamentaux dans le traitement des déchets nucléaires qui ont conduit à un processus économique de nettoyage de plus de 100 000 mètres cubes de déchets radioactifs sur le site de Savannah River en Caroline du Sud, qui gère le stock nucléaire américain.

Martha Gardner
Âge : 33
Statisticien, General Electric
Création de modèles statistiques et de logiciels de conception pour rendre le développement de matériaux plus efficace. Grâce à ses méthodes, les ingénieurs ont réduit de 90 % le temps de développement des produits.

Verena Graf
Âge : 32 ans
Ingénieur, DaimlerChrysler
Développe des piles à combustible pratiques pour alimenter les voitures : elles sont robustes, démarrent rapidement et ont une excellente densité de puissance, quelle que soit la météo.

Yu Han
Âge : 27
Stagiaire postdoctoral, Institute of Bioengineering and Nanotechnology (Singapour)
Des particules nanométriques synthétisées avec de minuscules pores définis avec précision. Ses matériaux peuvent être utilisés pour l'administration contrôlée de médicaments ou pour la thérapie génique.

Stefan Hecht
Âge : 30
Professeur assistant, Université libre de Berlin
Conception d'une nouvelle classe de nanotubes polymères et d'autres éléments constitutifs moléculaires. Ces nouveaux matériaux ont des applications potentielles dans la fabrication de dispositifs électroniques nanométriques.

Darrell Irvine
Âge : 31
Professeur assistant, MIT
Fabrique des nanoparticules qui libéreraient des produits chimiques à l'intérieur du corps pour programmer les cellules immunitaires pour combattre les infections virales comme le VIH, pour tolérer les greffes ou même pour détruire les tumeurs malignes.

Roustem Ismagilov
Âge : 31
Professeur adjoint, Université de Chicago
Développe des technologies microfluidiques qui utilisent de minuscules gouttelettes pour caractériser la fonction et la structure des protéines et pour modéliser des processus biochimiques complexes. Les modèles microfluidiques devraient fournir des informations pertinentes pour la découverte de médicaments et la conception de dispositifs médicaux.

Albena Ivanisevic
Âge : 29
Professeur adjoint, Université Purdue
Utilise des pointes microscopiques pour déposer des motifs précis de peptides directement sur les tissus du corps. Sa technique, qu'elle teste dans des yeux de porc, pourrait aider à traiter voire à guérir la cécité.

Ravi Kane
Âge : 32 ans
Professeur assistant, Institut polytechnique Rensselaer
Création d'un traitement très puissant contre l'anthrax dans lequel chaque molécule de médicament bloque plusieurs molécules de toxine plutôt qu'une seule. Il étend le concept aux thérapies anti-VIH.

Kinneret Keren
Âge : 32 ans
Stagiaire postdoctoral, Stanford University Medical School
Exploite l'auto-assemblage basé sur la biologie pour construire l'électronique moléculaire. Elle a créé un dispositif électronique moléculaire auto-assemblé - un transistor à nanotubes de carbone - à l'aide d'un modèle d'ADN.

Lien Jamie
Âge : 26
Étudiant au doctorat, Université de Californie, San Diego
Codes à barres optiques gravés dans des morceaux de silicium de la taille d'un micromètre. Elle espère utiliser la technologie pour détecter les polluants dans l'eau ou les cellules cancéreuses dans le corps.

Yueh-Lin (Lynn) Loo
Âge : 30
Professeur assistant, Université du Texas à Austin
Invention de l'impression par nano-transfert, une technique respectueuse de l'environnement pour modeler des caractéristiques à l'échelle nanométrique sur des circuits électroniques organiques et en plastique. Ce schéma de nano-structuration pourrait être utilisé pour fabriquer des écrans flexibles de grande surface et des cellules solaires bon marché, et il pourrait permettre de nouvelles thérapies et diagnostics médicaux.

Tyler McQuade
Âge : 33
Professeur adjoint, Université Cornell
Crée des catalyseurs pour réduire le nombre d'étapes nécessaires à la synthèse des médicaments, diminuant ainsi les sous-produits dangereux pour l'environnement. Il espère qu'un seul système fera passer la fabrication du Prozac, l'antidépresseur le plus vendu, de quatre étapes à une seule.

Teri Odom
Âge : 30
Maître assistant,
Université du nord-ouest
Du silicium à motifs pour créer de minuscules béchers qui ne contiennent que des zeptolites (les nanopuits de silicium ne mesurent que 50 nanomètres de diamètre), idéaux pour la croissance de nanoparticules individuelles de taille spécifique et uniforme. Une telle ultraprécision permet d'adapter les particules à des utilisations spécialisées - comme, par exemple, des capteurs chimiques ultrasensibles.

Erik Scher
Âge : 28
Scientifique en recherche et développement, Nanosys
Travaille sur des nanomatériaux semi-conducteurs inorganiques qui aident Nanosys, basée à Palo Alto, en Californie, à développer des cellules solaires flexibles et bon marché. Le partenaire de Nanosys, Matsushita, prévoit d'incorporer les nanocellules solaires dans les matériaux de construction.

Michael étrange
Âge : 28
Professeur adjoint, Université de l'Illinois, Urbana-Champaign
Arrivé à une nouvelle compréhension de la chimie de surface des nanotubes de carbone qui permet de trier les nanotubes de carbone en fonction de leurs propriétés semi-conductrices, métalliques ou isolantes. Cela brise le principal obstacle qui a empêché l'utilisation des nanotubes dans les appareils.

Guillaume Taylor
Âge : 32 ans
Directeur de l'ingénierie, ArvinMeritor
Fer de lance des efforts pour commercialiser le plasmatron, un dispositif de contrôle de la pollution qui convertit le carburant diesel en hydrogène, réduisant les émissions d'oxyde d'azote jusqu'à 90 pour cent.

Tsuyoshi Yamamoto
Âge : 31
Chercheur, NEC
Démonstration de la toute première porte logique à deux qubits dans un dispositif à semi-conducteurs, une avancée cruciale pour la construction d'un ordinateur quantique ultrarapide.

Shu Yang
Âge : 33
Professeur adjoint, Université de Pennsylvanie
Conçoit des dispositifs photoniques intelligents pour des ordinateurs et des réseaux de communication ultra-rapides. Pendant son séjour aux Bell Labs, elle a co-développé une microlentille liquide qui peut être focalisée électroniquement en quelques millisecondes pour diriger les signaux lumineux à l'intérieur des fibres optiques.

Yuankai Zheng
Âge : 34 ans
Chercheur, Data Storage Institute (Singapour)
Simplification de la production de RAM magnétique, rendant cette forme rapide et non volatile de mémoire informatique moins chère et plus pratique. Une puce RAM magnétique de la taille d'une miniature pourrait stocker 32 gigaoctets de données.

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