Auch für George Whitesides ist es oft schwierig, George Whitesides zu finden. Also hat er einen Umschlag in der Jackentasche. "Ich weiß eigentlich nicht, wo ich im Allgemeinen bin, bis ich es mir anschaue", sagt er, "und dann stelle ich fest, dass ich in Terre Haute bin, und dann ist die Frage wirklich:" Wie geht es weiter? " Der Umschlag enthüllte kürzlich, dass er in Boston, Abu Dhabi, Mumbai, Delhi, Basel, Genf, Boston, Kopenhagen, Boston, Seattle, Boston, Los Angeles und Boston war.
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Der Grund, warum Boston so häufig auftaucht, ist, dass Whitesides Professor für Chemie an der Harvard University ist und Boston Logan sein Heimatflughafen. Der Grund für alle anderen Städte ist, dass Whitesides Beiträge zur Wissenschaft in den Bereichen Biologie, Ingenieurwesen, Physiologie, Materialwissenschaften, Physik und insbesondere heutzutage in der Nanotechnologie liegen. Andere Wissenschaftler, Regierungschefs, Erfinder und Investoren weltweit möchten von ihm hören.
Aus den Erfindungen und Ideen von Whitesides sind mehr als ein Dutzend Unternehmen hervorgegangen, darunter der Drogenriese Genzyme. Kein Harvard-Labor entspricht annähernd der Anzahl der Patente, die an seinen Namen geknüpft sind - „ungefähr 90“, sagt er. Das Zitat „GM Whitesides“ taucht in wissenschaftlichen Arbeiten häufiger auf als das fast aller anderen Chemiker in der Geschichte.
Whitesides ist also so etwas wie das Bono der Wissenschaft, obwohl größer, drahtiger und mit 70 Jahren weniger hirsute. Eine schottische Fischermütze bedeckt fast immer den Kopf, sogar vor Publikum. Er hat eine tiefe Stimme, mit wenig Andeutung seines gebürtigen Kentucky. In letzter Zeit hat diese Stimme dem Publikum ein neues Nanotechnologieprojekt vorgestellt, das Leben in Entwicklungsländern retten soll. "Was ist das billigste Zeug, aus dem man ein Diagnosesystem machen kann?", Fragt er. "Papier."
Auf einem Blatt Papier, das nicht dicker oder breiter als eine Briefmarke ist, hat Whitesides ein medizinisches Labor aufgebaut.
Eines Tages im vergangenen Winter wachte Whitesides in seinem eigenen Bett auf. Gegen 9 Uhr war er in seinem Büro in der Nähe von Harvard Yard. Er trug sein typisches Outfit: Nadelstreifenanzug, weißes Hemd, keine Krawatte. Er stellte die Mütze seines Fischers auf einen Konferenztisch vor einem Bücherregal, in dem sich The Cell, Microelectronic Materials, Physical Chemistry, Advanced Organic Chemistry und Bartletts bekannte Zitate befanden .
Ein Text, der nicht im Regal stand, war No Small Matter: Wissenschaft auf der Nanoskala, ein neu veröffentlichtes Couchtischbuch von Whitesides und dem Wissenschaftsfotografen Felice C. Frankel. Es geht um wirklich exotische Dinge, die sehr groß erscheinen, aber außergewöhnlich, absurd, erstaunlich klein sind - Nanoröhren, Quantenpunkte, sich selbst zusammensetzende Maschinen.
Nanotechnologie ist einfach definiert die Wissenschaft von Strukturen, die zwischen 1 Nanometer oder Milliardstel Meter und 100 Nanometer messen. (Das Präfix „nano“ kommt vom griechischen Wort für Zwerg.) Für die meisten Menschen ist diese Definition jedoch nicht so einfach. Der Versuch, Nanometer zu verstehen, kann schnell zu Augenüberschneidungen führen. Das Blatt Papier, auf dem diese Worte gedruckt sind, ist 100.000 Nanometer dick - der Durchmesser eines menschlichen Haares, ungefähr das kleinste Objekt, das eine Person mit bloßen Augen sehen kann. Ein auf diesem Papier sitzendes Bakterium hat einen Durchmesser von etwa 1.000 Nanometern - mikroskopisch. Nur einen Nanometer zu sehen, war bis 1981 unmöglich, als zwei IBM-Physiker das erste Rastertunnelmikroskop erfanden. Herkömmliche Mikroskope verwenden Linsen, um alles zu vergrößern, was sich in der Sichtlinie befindet. Rastertunnelmikroskope funktionieren jedoch eher wie eine Person, die Braille liest und sich mit einem winzigen Stift über die Oberfläche von Strukturen bewegt. Die Physiker, die nur fünf Jahre später einen Nobelpreis erhielten, bauten einen Stift mit einer Spitze von nur einem Atom (weniger als einem Nanometer). Während der Bewegung erkennt der Stift die Struktur des Materials, indem er elektrische Rückkopplungen aufzeichnet, und das Mikroskop übersetzt die Aufzeichnungen in Bilder.
Nun, da wirklich kleine Dinge - bis hin zu einzelnen Atomen - endlich zu sehen waren, interessierten sich Whitesides und andere Chemiker sehr für nanoskalige Materialien. Und was sie gelernt haben, hat sie erstaunt. Es hat sich herausgestellt, dass Materialien dieser Größe unerwartete Eigenschaften haben - wir waren nur ahnungslos, bis wir sie aus der Nähe sehen konnten. Moleküle mit unterschiedlichen Oberflächen - Oberflächen, die sich normalerweise nicht gut verbinden, wenn überhaupt - können plötzlich binden. Glas, normalerweise ein Isolator für elektrische Ströme, kann Elektrizität leiten. Materialien, die keine elektrischen Ladungen tragen konnten, werden plötzlich zu Halbleitern. Das Metall Gold kann in ausreichend kleinen Partikeln rot oder blau erscheinen.
"Eine der Faszinationen kleiner Dinge ist, dass sie sich trotz oberflächlicher Ähnlichkeiten in Form oder Funktion mit größeren, vertrauteren Verwandten als so fremd herausstellen", schreibt Whitesides in seinem Buch. „Diese Unterschiede im kleinsten Maßstab zu entdecken, ist wunderbar spannend, und ihre Verwendung kann die Welt verändern (und hat sie verändert).“
Wissenschaftler haben Kohlenstoffnanoröhrchen, Hohlzylinder mit einem Durchmesser von zwei Nanometern oder weniger, geschaffen, die sich als das stärkste Material der Welt herausstellen, das 100-mal fester als Stahl ist und ein Sechstel des Gewichts hat. Sie haben Nanopartikel erzeugt - weniger als 100 Nanometer breit und nützlich für sehr genaue biomedizinische Bilder. Wissenschaftler haben auch Nanodrähte hergestellt - Siliziumfäden mit einer Breite von 10 bis 100 Nanometern, die Wärme in Elektrizität umwandeln können. Laut Elektronikherstellern könnten Nanodrähte die Abwärme von Computern, Automotoren und Kraftwerken nutzen.
Bereits mehr als 1.000 Konsumgüter verwenden irgendeine Form von Nanotechnologie (obwohl in einem Bericht der National Academy of Sciences von 2008 eine bessere Überwachung potenzieller Gesundheits- und Umweltrisiken durch Nanotechnologie gefordert wurde). Die Produkte umfassen stärkere und leichtere Fahrradrahmen, flüssigkeitsabweisende Gewebebehandlungen, Sonnenschutzmittel, die das Sonnenlicht besser abweisen, Speicherkarten für Computer und beschlagfeste Beschichtungen für Brillengläser.
Wissenschaftler entwickeln Nanopartikel, die genau die richtige Menge an Medikamenten abgeben können, um einen Tumor abzutöten, aber sonst nichts. Andere Nanopartikel können eine Quecksilberkontamination im Wasser nachweisen. Eines Tages können die Partikel in Filtern verwendet werden, um das giftige Metall zu entfernen.
Das große, lebensverändernde Zeug aus kleinen Sachen liegt noch vor uns. Dinge wie Batterien, die Monate halten und Elektroautos aus von Viren gebauten Nanodrähten antreiben - Angela Belcher vom MIT arbeitet daran, und Präsident Obama ist so begeistert von der Technologie, die er mit ihr getroffen hat. (Siehe „Invisible Engineers“.) Ein Hewlett-Packard-Labor unter der Leitung des Nanotechnologie-Visionärs Stan Williams hat kürzlich eine Partnerschaft mit Shell zur Entwicklung von Ultraschallgeräten zur Erkennung von Öl angekündigt. Sie können im Prinzip Verschiebungen im Nanobereich der Erde registrieren, die durch Bewegungen in Ölfeldern verursacht werden. Williams nennt das Produkt ein "zentrales Nervensystem für die Erde".
Die Perspektive der Welt, die sich durch die Nanotechnologie grundlegend verändert, ist immer noch träumerischer als real, aber für Experten scheinen die Möglichkeiten nahezu unbegrenzt. Wissenschaftler haben Nanostrukturen geschaffen, die sich selbst zusammensetzen können, was bedeutet, dass sie sich zu größeren Objekten mit wenig oder keiner Außenrichtung formen können. Eines Tages könnten sich diese winzigen Objekte theoretisch in eine Maschine einbauen, die mehr Nanopartikel erzeugt. IBM verwendet bereits Selbstmontagetechniken, um die Isolierung von Computerchips herzustellen. Ein Zentrum am MIT namens Institute for Soldier Nanotechnologies arbeitet an unzerstörbaren Kampfpanzern, die auf chemische Waffen reagieren können.
"Überall, wo man hinschaut", sagt Whitesides, "sieht man Stücke und sie zeigen alle in verschiedene Richtungen."
Whitesides weiß nicht genau, wie er hierher gekommen ist. Hier ist Harvard, dieses Labor, dieses Leben. Als Sohn einer Hausfrau und eines Chemieingenieurs wuchs er in einer kleinen Stadt in Kentucky auf und ging in die Schule. Eines Tages rief ein Lehrer seine Eltern an und sagte, er würde gerne mit ihnen über ihren Sohn sprechen. Ihre Herzen sanken. "Was macht der kleine Bastard jetzt?", Erinnert sich Whitesides an die Reaktion seiner Eltern.
Der Lehrer sagte: „Du musst dein Kind hier rausholen. Ich habe ihn nach Andover geschickt. «
"Ich hatte noch nie von Andover gehört", sagt Whitesides jetzt von der Elite-Vorbereitungsschule in Massachusetts. „Ich wusste nicht einmal, was es war. Ich wusste nicht, wo New England ist. "
Und dann besuchte er irgendwie Harvard. „Ich erinnere mich nicht einmal, mich hier beworben zu haben. Ich habe gerade irgendwann einen Brief bekommen, in dem ich zugelassen wurde. Also bin ich wohl zufällig hierher gekommen. “
Anschließend absolvierte er ein Studium am California Institute of Technology. In der Anerkennungssektion seiner Dissertation dankte er seinem Berater John D. Roberts für "seine geduldige Anleitung und Indirektion". Die meisten Doktoranden schätzen die Anleitung eines Mentors, sagt Whitesides. „In meinem Fall hat er mich überhaupt nicht geleitet. Ich glaube nicht, dass ich ihn in den Jahren, in denen ich dort war, gesehen habe, aber wir hatten eine nette Beziehung. “
Whitesides unterrichtete fast 20 Jahre am MIT, bevor er 1982 nach Harvard kam, wo er eine Seltenheit ist. Für den Anfang ist er ein praktizierender Kapitalist. Das fokussiert ihn auf reale Anwendungen, was nicht alle seiner Kollegen bewundern, so Mara Prentiss, eine Harvard-Physikprofessorin, die mit ihm einen Nanotechnologiekurs unterrichtet. „George wird von vielen Menschen sehr bewundert, aber nicht jeder schätzt seinen Stil“, sagt sie. Whitesides scheint das egal zu sein. "Ich nehme an, es ist da draußen", sagt er über jede Feindseligkeit. Aber er hat nur sehr wenig Zeit für diejenigen, die denken, dass das Erscheinen bei CNN oder die Gründung von Unternehmen eine Plage ist. Er sagt, sie könnten "einfach eine Stricknadel nehmen und hierher stecken" - er zeigt auf seine Nase - "und sie schieben."
Tom Tritton, Präsident der Chemical Heritage Foundation, einer Organisation für Geschichte und Bildung in Philadelphia, sagt, wenn Sie jemanden auf dem Gebiet bitten, die drei besten Chemiker der Welt aufzulisten, wird Whitesides jede Liste erstellen. "Die schiere Breite seines Intellekts ist erstaunlich", sagt Tritton. Nachdem Whitesides die höchste Auszeichnung der Stiftung, die Othmer-Goldmedaille, erhalten hatte, verbrachte er den Tag mit Schülern in der Stadt. Tritton sagte, ein Student habe diese Beobachtung später angeboten: "Er mag ein Wissenschaftler sein, aber er ist wirklich cool."
Im Zentrum von fast allem, was Whitesides tut, steht ein Widerspruch: Er arbeitet in komplexen Bereichen der Physik, Chemie, Biologie und Ingenieurwissenschaften mit komplexen Werkzeugen - nicht viele Menschen haben jemals ein Rasterkraftmikroskop geführt - und ist dennoch von Einfachheit besessen. Fragen Sie ihn nach einem Beispiel für Einfachheit, und er wird sagen: "Google". Er meint nicht, dass Sie das Wort "Einfachheit" googeln sollten. Er meint die Google-Startseite, das freie Rechteck auf dem weißen Feld, in das Millionen von Menschen hineingehen Geben Sie Wörter ein, um Informationen im Internet zu finden. Whitesides ist fasziniert von dieser Box.
"Aber wie funktioniert das?", Sagt er. Er macht eine Pause und holt Luft. Er beugt sich auf seinem Stuhl vor. Seine Augen werden groß. Seine Stirn geht nach oben und damit seine sehr große Brille. Das ist George Whitesides, der aufgeregt wird.
"Man beginnt mit Binär, und Binär ist die einfachste Form der Arithmetik", sagt er über das Eins- und Nullensystem, mit dem Computer programmiert werden. Dann startet er eine spontane historische Führung durch Schalter, Transistoren und integrierte Schaltungen, bevor er schließlich zu Google zurückkehrt, "das eine Idee von solch unglaublicher Komplexität aufnimmt - um alle Informationen der Menschheit zu organisieren - und sie in diese kleine Sache einfügt eine Box."
Die Idee hinter Google - riesige Wissensbestände zu einem eleganten kleinen Paket zusammenzufassen - ist auch die Idee hinter dem, was Whitesides jetzt in der Hand hält, ein sogenanntes Labor auf einem Chip, der nicht größer ist als eine Briefmarke, die entworfen wurde eine Vielzahl von Krankheiten mit der Präzision eines modernen klinischen Labors zu diagnostizieren.
Es ist für Angehörige der Gesundheitsberufe in abgelegenen Teilen von Entwicklungsländern bestimmt. Sie geben einen Tropfen Blut oder Urin eines Patienten auf den Stempel. Wenn die Krankheit eine der 16 ist, die der Stempel erkennen kann, ändert sich die Farbe entsprechend dem Leiden. Dann kann das Gesundheitspersonal oder sogar der Patient mit einem Mobiltelefon ein Foto des Stempels machen. Das Bild kann an einen Arzt oder ein Labor geschickt werden; Eines Tages könnte ein Computerprogramm dem Mobiltelefon ermöglichen, selbst eine vorläufige Diagnose zu stellen.
"Um Krankheiten zu behandeln, muss man zuerst wissen, was man behandelt - das ist Diagnostik - und dann muss man etwas tun", sagt Whitesides in einer Standardrede über die Technologie. „Das Programm, an dem wir beteiligt sind, nennen wir Diagnose für alle oder Null-Kosten-Diagnose. Wie stellen Sie medizinisch relevante Informationen so nah wie möglich an den Nullkosten bereit? Wie machst du das?"
Du fängst mit Papier an, sagt er. Es ist günstig. Es ist saugfähig. Es färbt sich leicht. Um Papier in ein Diagnosewerkzeug zu verwandeln, führt Whitesides es über einen Wachsdrucker aus. Der Drucker schmilzt Wachs auf das Papier, um Kanäle mit nanometergroßen Molekülen an den Enden zu erzeugen. Diese Moleküle reagieren mit Substanzen in Körperflüssigkeiten. Die Flüssigkeit „verteilt sich in diesen verschiedenen Vertiefungen oder Löchern und färbt sich“, erklärt Whitesides. Schwangerschaftstest denken. Ein Stempel, der zum Beispiel in einer Ecke blau wird, kann eine Diagnose aufdecken. ein Muster mit anderen Farben würde ein anderes diagnostizieren. Die Kosten für die Herstellung von Diagnosestempeln betragen jeweils 10 Cent, und Whitesides hofft, sie noch billiger zu machen. Nahezu jedes fortschrittliche Mobiltelefon mit einer Kamera kann so programmiert werden, dass es ein Bild des Stempels verarbeitet.
"Whitesides macht diese brillante Arbeit buchstäblich mit Papier", sagte Bill Gates vor zwei Jahren. "Und, wissen Sie, es ist so billig und so einfach, es könnte tatsächlich herauskommen und Patienten auf diese tiefe Weise helfen." Billig und einfach: Whitesides Plan genau. Er gründete eine gemeinnützige Gruppe, Diagnostics for All, um die Technologie in Entwicklungsländer zu bringen. Die Bill & Melinda Gates Foundation investiert in die Technologie zur Messung der Leberfunktion. Mit diesem Test soll sichergestellt werden, dass wirksame AIDS- und Tuberkulose-Medikamente keines der wichtigsten Organe des Körpers schädigen. Derzeit ist die Überprüfung der Leberfunktion in isolierten Teilen der Welt in der Regel zu teuer oder zu logistisch schwierig oder beides. Der Whitesides-Stempel wird auch entwickelt, um die Ursache von Fieber unbekannter Herkunft zu lokalisieren und Infektionen zu identifizieren. Ein Prototyp des Leberfunktionsstempels wird im Labor getestet, und die ersten Ergebnisse sind laut Whitesides mehr als vielversprechend. Der Chip wird im Laufe dieses Jahres Feldtests unterzogen.
Ein Spaziergang über eine Bühne in Boston - ein seltenes Ereignis, das zu Hause gesprochen wird - Whitesides beschreibt in seiner Fischermütze seine Vision für die Verwendung der Erfindung, manchmal an gesetzeswidrigen Orten: „Mein Blick auf das Gesundheitspersonal der Zukunft ist es nicht ein Arzt, aber ein 18-jähriger, sonst arbeitsloser, der zwei Dinge hat. Er hat einen Rucksack voller dieser Tests und eine Lanzette, um gelegentlich eine Blutprobe zu entnehmen, sowie einen AK-47. Und das sind die Dinge, die ihn durch seinen Tag bringen. “
Es ist eine einfache Lösung für eine komplizierte Situation an einem Ort fern von Harvard, aber genau dort, wo Whitesides sein möchte, ist die Arbeit am Laborstempel. "Was ich tun möchte, ist, Probleme zu lösen", sagt er zurück in seinem Labor und hält sein Labor auf einem Chip. „Und wenn Nano der richtige Weg ist, um das Problem zu lösen, werde ich das nutzen. Wenn etwas anderes der richtige Weg ist, werde ich das nutzen. Ich bin kein Fan der Nanotechnologie. Eigentlich bin ich kein Eiferer für irgendetwas. “Außer, dass ich den Dingen, die niemand sehen kann, einen Sinn verleihe. Seine Arbeit könnte die unglaublich kleine Architektur der Nanotechnologie in die Architektur des Alltags einbringen.
Michael Rosenwald schrieb über die Suche nach neuen Influenza-Viren für die Januar-Ausgabe 2006 von Smithsonian .
In sehr kleinen Maßstäben entpuppen sich die häufigsten Materialien als "so fremd", sagt George Whitesides, der einen Prototyp eines Diagnosechips in der Hand hält. (Paula Lerner / Aurora Fotos) 
Einige tausend Nanometer lange Polymerwedel wickeln sich um noch winzigere Polymerkugeln. (Felice C. Frankel) 
Kohlenstoffnanoröhren, die in einem computergenerierten Modell gezeigt werden, sind die stärksten und steifsten Materialien, die jemals hergestellt wurden - obwohl die Kohlenstoffatome der Röhren durch chemische Bindungen zusammengehalten werden, die in Bleistiftmine zu finden sind. (Felice C. Frankel) 
Merkwürdige nanoskalige Strukturen, sogenannte "Quantenpunkte", emittieren farbiges Licht und verblassen nicht. Hier werden Quantenpunkte gezeigt, die die Strukturen in Zellen färben. (Felice C. Frankel) 
Einfach und billig will Whitesides, dass seine Erfindungen im Bereich der Nanotechnologie umgesetzt werden. In diesem Labor auf einem Papierstempel kann die Leberfunktion getestet werden. (Paula Lerner / Aurora Fotos) 
Trotz des scheinbaren Chaos in seinem Labor "sind wir es gewohnt, Strukturen im Nanometerbereich herzustellen und zu wissen, wo sich jedes Atom befindet", sagt Whitesides, der hier zusammen mit dem Produktentwicklungswissenschaftler Patrick Beattie gezeigt wird. "Davon leben wir." (Paula Lerner / Aurora Fotos)
