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Promesse magnétique de prises de nanotechnologie dans le cancer de combat

Trouver le cancer et la réinvention de calculer sont deux défis qui ont apparemment peu, si l'on peut dire, pour faire les uns avec les autres. C'est-à-dire, à moins que vous soyez un nanotechnologist comme Shan Wang, un professeur agrégé de scientifique et technique de matériaux et de génie électrique chez Stanford. À lui, les problèmes sont deux côtés de la même monnaie d'appoint, ou plus convenablement, en face des pôles du même aimant.

« Nous avons su pendant longtemps que le magnétisme est une propriété principale de tous les matériaux et il a trouvé des applications larges dans l'électronique et la biologie, comme des lecteurs de disque dur et l'imagerie par résonance magnétique, mais il y a également potentiel grand d'appliquer maintenant le magnétisme au nanoscale, » Wang a dit dans une entrevue dans son bureau au laboratoire de Geballe pour les matériaux avancés.

Là Wang ajuste les caractéristiques des aimants minuscules - sur l'échelle d'une milliardième d'un mètre - pour aider à adresser le cancer et calculer. Une part de son organisme de recherche développe un détecteur ultra-sensible d'ADN et de protéines, y compris des protéines liées au cancer. Avec certains de ses stagiaires, Wang également effectue les avances principales dans le « spintronics, » une technologie informatique neuve qui pourrait augmenter ou remonter la microélectronique de silicium quand le progrès là n'est plus possible à cause des limitations matérielles.

Les compétences et les résultats prometteurs de Wang lui ont effectué un membre important de deux centres de recherche annoncés cette année. Le 27 février, l'Institut national du cancer attribué Stanford $20 millions sur cinq ans pour déterminer un centre de l'excellence Wang de nanotechnologie de cancer Co-dirige avec professeur Sanjiv Gambhir de radiologie. Puis le 9 mars, l'université s'est jointe à trois campus d'Université de Californie pour annoncer le Western Institute de Nanoelectronics, un centre siégé à l'UCLA et consacré à la recherche de spintronics.

La spécialité de Wang dans le magnétisme est particulièrement importante dans les applications médicales parce qu'un champ magnétique reste à l'extérieur comme un épanouissement dans le ciel nocturne dans les réglages biologiques par magnétisme neutres. Le magnétisme reste à l'extérieur plus que la fluorescence, la norme de courant pour signaler le dépistage d'une protéine liée au cancer. Ce des moyens si une borne de cancer pourrait être effectuée pour déclencher une modification magnétique, le résultat pourrait être production d'un détecteur plus sensible de cancer. Avec de meilleurs détecteurs, les médecins pourraient diagnostiquer les cancers apparaissants plus tôt et savoir plus tôt si une demande de règlement particulière fonctionne.

Les frites trademarked Wang de biodetection de MagArray établit, chacun environ la moitié par centimètre carré, est comme peu de trappes pour des protéines cibles ou des brins d'ADN. Les frites sont des choix ordonnés de détecteurs « de soupape ferromagnétique de rotation », plates-formes peu par magnétisme sensibles où le magnétisme et la biologie convergent. Comme l'autre puce ADN ébrèche, elles fonctionnent à côté d'exploiter biorecognition appelé bien-compris de phénomène un « . » Les objectifs spécifiques, tels que des protéines ou des brins d'ADN, relieront seulement avec les protéines spécifiques ou les boucles d'ADN complémentaire, respectivement. En d'autres termes, on peut recueillir un objectif dans un sang ou biopsier l'échantillon si on fournit la « amorce droite, » ou la sonde.

Le dépistage d'un objectif particulier avec la frite de MagArray concerne d'abord fixer les sondes aux détecteurs sur la frite. Les détecteurs, chacun moins qu'un millionième d'un mètre large, sont particulièrement conçus de sorte que leur résistance électrique change d'une voie prévisible en présence d'un champ magnétique particulier. L'échantillon est alors pompé sur la frite par l'intermédiaire d'un système des tuyaux « microfluidic » minuscules. Les sondes captent les objectifs. Alors des nanoparticles par magnétisme sensibles vêtus en produit chimique qui collera sur l'objectif sont pompés dedans. En présence d'un champ magnétique appliqué, les nanoparticles émettent leur propre inducteur - le genre qui changerait prévisible la résistance du détecteur.

Quand le nanoparticle lie à l'objectif, sa proximité change la résistance du détecteur. La modification est affichée électriquement par un ordinateur comme signe clair de la présence de l'objectif. Dans un papier dans les détecteurs et les dispositifs d'entraînement de tourillon en janvier 2006, Wang et collaborateurs publiés les résultats d'une démonstration simplifiée de MagArray ébrèche sans objectifs et sondes biologiques. Il a prouvé que le changement de la résistance sur une frite est directement proportionnel au nombre de nanoparticles sur les détecteurs de la frite. Les collaborateurs sur l'étude, qui a été financée par l'Agence de la défense pour les projets de recherche avancés, incluent étudiant au doctorat Guanxiong Li de zone blanche, de Wang de Robert de professeur émérite de génie électrique l'ancien, les associés Robert Wilson et Nader Pourmand de recherches, et le professeur Shouheng Sun de Brown University.

Depuis faire ces expériences, Wang et ses stagiaires et collaborateurs actuels ont effectué davantage de travail, jusqu'à présent non publié, expliquant l'efficacité de la frite avec le biodetection. Wang et son équipe planification maintenant pour déterminer des protéines liées au sein et aux cancers de la prostate. Les chercheurs visent à produire un périphérique portable qui pourrait rapidement déterminer un certain nombre de maladies. « Notre objectif ultime est que si vous vous asseyez dans un cabinet médical ou un service des urgences, nous fournirons au docteur la diagnose de première main dans un moment bien en-dessous d'une heure, » Wang dit. « Qui serait le Saint Graal. »

En attendant, Wang a accompli le progrès important dans le spintronics aussi bien. Tandis que les circuits électroniques brouillent des électrons autour basés sur leur charge, les circuits spintronic chemineraient des électrons basés sur leur « rotation magnétique, » une propriété mécanique de tranche de temps qui peut être décrite comme se dirigeant « vers le haut » ou de « vers le bas. » Spintronics retient la promesse grande comme augmentation ou même remontage pour l'électronique, parce que des fonctionnements de circuit tels que la commutation (le mécanisme qui produit les zéros et ceux du code binaire) pourraient être exécutés plus rapidement utilisant moins d'énergie.

Pour effectuer à travail de spintronics dans la pratique, cependant, des techniciens doit établir les dispositifs fonctionnants, tels que les filtres par lesquels peut laisser des électrons avec un genre de rotation mais bloquer l'autre genre. Les filtres les plus désirables fonctionneraient à la température ambiante plutôt qu'exigent le refroidissement d'extrémité typique de beaucoup de dispositifs de la mécanique quantique.

Le groupe de Wang a en effet fait juste cela, bien que pas encore parfaitement. Dans un papier reçu par les lettres matérielles B de révision de tourillon, Wang et étudiant au doctorat Michael G. Chapline de scientifique et technique de matériaux annoncent le premier filtre de rotation d'électron de température ambiante, qui peut bloquer des électrons d'une rotation et laissés par des électrons de l'autre plus de 75 pour cent du temps. Dans le meilleur des cas, le filtre trierait des électrons des rotations opposées avec pratiquement 100 pour cent d'efficacité. La recherche a été financée en partie par le National Science Foundation.

Le dispositif entier est un sandwich de quatre (juste couches incroyablement minces de quelques nanomètres) de matériaux exotiques sélectés pour leurs propriétés magnétiques. Sur une extrémité est une couche de l'oxyde de fer qui émet des électrons d'un état de spin particulier. Puis une couche de magnésium, d'aluminium et d'oxygène isole par magnétisme cette couche émettante de la couche la plus importante - celle qui fait réellement le filtrage. Cette couche est faite de cobalt, fer et oxygène. En conclusion, une couche d'or conduit les électrons qui l'ont effectuée par le filtre à un microscope atomique de force pour le dépistage.

En plus de trouver les matériaux qui augmenteront l'efficacité du filtre, Wang veut trouver les matériaux dont les propriétés magnétiques peuvent être rapidement commutées dans les deux sens pour bloquer différents électrons de rotation à différentes heures. Une telle capacité de commutation activerait l'équivalent spintronic d'un transistor.

« Dans cinq à 10 ans nous aurons réellement la loi de moore de mise à jour de panne, » dit Wang, se référant au doublement des transistors sur une frite rugueux tous les 18 mois qui a soutenu l'industrie des technologies de l'information. « Spintronics est l'une des réponses au défi lancé par loi de moore car nous réduisons au nanoscale. »