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Promessa magnética das posses da nanotecnologia no cancro de combate

Detectar o cancro e reinventar a computação são dois desafios que têm convenientemente pouco de qualquer forma para fazer um com o otro. Isto é, a menos que você for um nanotechnologist como Shan Wang, um professor adjunto da ciência e da engenharia de materiais e da engenharia elétrica em Stanford. A ele, os problemas são dois lados da mesma moeda, ou mais aptly, oposto aos pólos do mesmo ímã.

“Nós temos sabido por muito tempo que o magnetismo é uma propriedade fundamental de todos os materiais e encontrou aplicações largas na eletrônica e na biologia, como movimentações de disco rígido e ressonância magnética, mas há igualmente um grande potencial aplicar agora o magnetismo no nanoscale,” Wang disse em uma entrevista em seu escritório no laboratório de Geballe para materiais avançados.

Lá Wang está ajustando as características de ímãs minúsculos - na escala de um bilionésimo de um medidor - para ajudar a endereçar o cancro e está computando-as. De uma parte de seu grupo de investigação está desenvolvendo um detector ultrasensitive do ADN e das proteínas, incluindo as proteínas associadas com o cancro. Com os alguns de seus estudantes, Wang igualmente está fazendo os avanços chaves no “spintronics,” uma tecnologia informática nova que poderia aumentar ou substituir a microeletrônica do silicone quando o progresso lá é já não possível devido às limitações físicas.

A experiência e os resultados prometedores de Wang fizeram-lhe um membro importante de dois centros de pesquisa anunciados este ano. O 27 de fevereiro, o instituto nacional para o cancro concedido Stanford $20 milhões sobre cinco anos para estabelecer um centro da excelência Wang da nanotecnologia do cancro co-dirige com professor Sanjiv Gambhir da radiologia. Então o 9 de março, a universidade juntou-se com os três terrenos de Universidade da California para anunciar o Western Institute de Nanoelectronics, um centro sediado no UCLA e dedicado à pesquisa do spintronics.

A especialidade de Wang no magnetismo é particularmente importante em aplicações médicas porque um campo magnético está para fora como um alargamento no céu nocturno em ajustes biológicos magnètica neutros. O magnetismo está para fora mais do que a fluorescência, o padrão actual para sinalizar a detecção de uma proteína cancro-relacionada. Aquela meios se um marcador do cancro poderia ser feito para provocar uma mudança magnética, o resultado poderia ser produção de um detector mais sensível do cancro. Com melhores detectores, os doutores poderiam diagnosticar cancros emergentes mais cedo e saber mais logo se um tratamento particular está trabalhando.

As microplaquetas trademarked Wang do biodetection de MagArray estão construindo, cada um sobre a metade um do centímetro quadrado, são como poucas armadilhas para proteínas do alvo ou costas do ADN. As microplaquetas são disposições em ordem “de sensores da válvula ferromagnetic da rotação”, plataformas pouco magnètica sensíveis onde o magnetismo e a biologia convirgem. Como o outro microarray lasca-se, elas trabalham explorando um fenômeno bem-compreendido chamado “biorecognition.” Os alvos específicos, tais como proteínas ou costas do ADN, ligarão somente acima com as proteínas específicas ou as costas complementares do ADN, respectivamente. Ou seja um pode travar um alvo em uma amostra do sangue ou da biópsia se uma fornece a “isca direita,” ou a ponta de prova.

A detecção de um alvo particular com a microplaqueta de MagArray envolve primeiramente anexar as pontas de prova aos sensores na microplaqueta. Os sensores, cada um menos do que um milhonésimo de um medidor largo, são projectados especialmente de modo que sua resistência elétrica mude em uma maneira predizível na presença de um campo magnético particular. A amostra é bombeada então na microplaqueta através de um sistema de tubulações “microfluidic” minúsculas. As pontas de prova capturam os alvos. Os nanoparticles magnètica sensíveis revestidos em um produto químico que se ligue ao alvo são bombeados então dentro. Na presença de um campo magnético aplicado, os nanoparticles emitem-se seu próprio campo - o tipo que mudaria predizìvel a resistência do sensor.

Quando o nanoparticle liga ao alvo, sua proximidade muda a resistência do sensor. A mudança é lida electricamente por um computador como um sinal claro da presença do alvo. Em um papel nos sensores e nos actuadores do jornal em janeiro de 2006, Wang e os colaboradores publicaram os resultados de uma demonstração simplificada de microplaquetas de MagArray sem alvos e pontas de prova biológicos. Mostraram que a mudança na resistência em uma microplaqueta é directamente proporcional ao número de nanoparticles nos sensores da microplaqueta. Os colaboradores no estudo, que foi financiado pelo Defense Advanced Research Projects Agency, incluem o estudante doutoral anterior Guanxiong Li do branco, do Wang de Robert do professor emérito da engenharia elétrica, os investigadores associados Robert Wilson e Nader Pourmand, e o professor Shouheng Sun de Brown University.

Desde fazer aquelas experiências, Wang e seus estudantes e colaboradores actuais fizeram um trabalho mais adicional, até agora não-publicado, demonstrando a eficácia da microplaqueta com biodetection. Wang e sua equipe planeiam agora testar para as proteínas associadas com o peito e os cancros da próstata. Os pesquisadores apontam produzir um dispositivo handheld que poderia ràpida testar para um número de doenças. “Nosso objectivo último é que se você se está sentando no escritório ou em umas urgências de um doutor, nós estaremos fornecendo o doutor os diagnósticos primeira-mães em um momento bem abaixo de uma hora,” Wang diz. “Que seria o Santo Graal.”

Entrementes, Wang fez o progresso importante no spintronics também. Quando os circuitos eletrônicos baralharem os elétrons baseados ao redor em sua carga, os circuitos spintronic distribuiriam os elétrons baseados em sua “rotação magnética,” uma propriedade mecânica do quantum que pudesse ser descrita como apontando “acima” ou de “para baixo.” Spintronics mantem a grande promessa como um aumento ou mesmo uma substituição para a eletrônica, porque as operações do circuito tais como o interruptor (o mecanismo que produz os zero e uns do código binário) poderiam ser executadas mais rapidamente usando menos energia.

Para fazer na prática a trabalho do spintronics, contudo, coordenadores deve construir dispositivos de trabalho, tais como os filtros de que pode deixar elétrons com um tipo da rotação através mas obstruir o outro tipo. Os filtros os mais desejáveis funcionariam na temperatura ambiente um pouco do que exige refrigerar do extremo típico de muitos dispositivos da mecânica quântica.

O grupo de Wang fez certamente apenas aquele, embora não ainda perfeitamente. Em um papel aceitado pelas letras físicas B da revisão do jornal, a ciência de Wang e de materiais e o planejamento do estudante doutoral Michael G. Chapline anunciam o primeiro filtro da rotação do elétron da temperatura ambiente, que pode obstruir os elétrons de uma rotação e deixados através dos elétrons da outro mais de 75 por cento do tempo. Idealmente, o filtro classificaria elétrons de rotações opostas com virtualmente 100 por cento de eficácia. A pesquisa foi financiada na parte pelo National Science Foundation.

O dispositivo inteiro é um sanduíche de quatro (apenas camadas incredibly finas de alguns nanômetros) de materiais exóticos selecionados para suas propriedades magnéticas. Em uma extremidade é uma camada de óxido de ferro que se emite elétrons de um estado de rotação particular. Então uma camada de magnésio, de alumínio e de oxigênio isola magnètica esta camada emitindo-se da camada a mais importante - essa que faz realmente a filtração. Essa camada é feita do cobalto, do ferro e do oxigênio. Finalmente, uma camada do ouro conduz os elétrons que a fizeram através do filtro a um microscópio atômico da força para a detecção.

Além do que encontrar os materiais que aumentarão a eficácia do filtro, Wang quer encontrar os materiais cujas as propriedades magnéticas podem ràpida ser comutadas para a frente e para trás para obstruir elétrons diferentes da rotação em horas diferentes. Tal capacidade do interruptor permitiria o equivalente spintronic de um transistor.

“Em cinco a 10 anos nós teremos realmente o problema que mantemos a lei de Moore,” diz Wang, referindo a duplicação dos transistor em uma microplaqueta aproximadamente cada 18 meses que sustente a indústria da tecnologia da informação. “Spintronics é uma das respostas ao desafio levantado pela lei de Moore porque nós obtemos para baixo ao nanoscale.”