随着科学家们越来越多地使用纳米材料来应对空气污染和化肥流失等环境挑战，他们面临着一种可能，即他们没有长期数据的技术可能会带来意想不到的后果。
克里格文理学院化学系的两位教授，化学家霍华德·费尔brother和里戈贝托·埃尔南德斯，正在研究预测这些后果的方法，以及什么结构和材料将优化这项技术的积极影响。
“我们想制定设计规则，这样当我们设计解决昨天的问题时，就不会为明天创造新的问题，”Gompf家族的化学教授Hernandez说。
在过去的5年里，他们的努力得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的一笔资金的支持，这笔资金来自以可持续纳米技术设计为目标的化学部门，该部门在本月被续期了5年。国家科学基金会的化学部门主任David Berkowitz说:“包括可持续纳米技术中心在内的国家科学基金会化学创新中心正在通过让跨学科、多机构的团队参与这一领域的重大挑战，改变我们从事科学研究的方式。”
图片说明:Rigoberto Hernandez(左)和Howard Fairbrother
图片来源:威尔·柯克/约翰霍普金斯大学
这笔2000万美元的资金用于支持由12个机构组成的NSF可持续纳米技术中心的研究团队。通过合作以及互补的知识和技能，这组科学家致力于从基础层面理解纳米颗粒如何与微生物和自然环境的其他组成部分行为和相互作用，并利用这些知识设计可持续的新型纳米技术或改进现有的纳米技术。埃尔南德斯的实验室和费尔福兄弟的实验室将在五年内分别获得大约100万美元的资助。
“这次更新给了我们时间来开发更大规模的项目，更深入地研究事情，进行有影响力的大研究和取得成果，”费尔brother说。
Fairbrother的实验室研究几种碳基纳米材料。碳点是一种荧光纳米颗粒，当被激发时，会发出特定波长的光。从茶叶到塑料袋，它们理论上可以替代高清电视中一些有毒且昂贵的组件。然而，一个限制是，它们通常不能发出足够长的荧光来发挥功能。Fairbrother的团队已经发现这些点在阳光下会失去荧光，现在正在利用这一知识来弄清楚这些点在这个过程中发生了什么，希望发现如何保持它们的活性。
另一个项目旨在减少因农业使用化肥而导致的养分流失，因为养分流失会导致河流和湖泊中藻类大量繁殖，从而窒息氧气。通过将含有主要营养元素磷的纳米颗粒嵌入生物降解聚合物中，然后将它们放置在土壤中以缓慢释放矿物质，该研究小组培育出的番茄与使用传统肥料生产的番茄一样有效，但径流减少了80-90%。
与此同时，Hernandez的实验室专注于利用机器学习来预测纳米颗粒对微生物的潜在影响，只要知道它们的分子尺度属性。利用这些影响的相对少量的数据，他们使用计算化学和机器学习将分子结构及其相关的动力学与可能的影响联系起来。
埃尔南德斯说:“最终，我们希望制造出无毒的颗粒，并提高细胞或植物的生存能力。”
埃尔南德斯说，这笔拨款的部分力量在于，它允许研究人员在未知领域冒险。他已经开始利用他的教授身份、系同事和设备提供的资源进行探索。另一个关键因素是参与该中心合作研究的教师、博士后和学生的多样性。
“你需要有广泛的知识、经验和比喻，这是我们国家科学基金会中心成功的关键，”Hernandez说。
该中心还为这些学生提供了一个在典型的博士课程中不常见的机会，费尔brother补充道。它的实验室交换计划使每个学生每年都能在另一个机构的实验室呆上一周，学习其他小组和设施的工作方式。
“他们接触到不同的科学方法，”费尔brother说。
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