拉尔夫·努佐的面试进行得并不顺利。
他回忆说：“我最近弄断了手指。在我的演讲过程中，我脑子里想的全都是我用左手写字有多困难，因为我右手拿不住粉笔。那简直是一场灾难。我确信他们绝对不会聘用我。”
但是，刚从研究生院毕业的努佐很快发现自己走进了贝尔实验室神圣的殿堂，不知道下一步该做什么。
贝尔实验室专注于微芯片和电子产品，对努佐关于有机界面的研究感兴趣——即聚合物表面在接触包括水、生物物质或彼此在内的各种材料时的行为。为了探索这些表面的化学性质，努佐很快决定组装和研究薄膜，这些薄膜本质上都是表面。
他说：“第一个实验其实很容易。” 努佐取出一片金晶片，将其悬浮在含有他选择的分子——一端带有硫的碳氢长链——的溶液中。硫附着在金属上，促使形成一层碳氢分子，这些分子像牙刷上的刷毛一样从晶片表面突出。
这种薄膜——努佐的第一个自组装单分子层（或称“SAM”）——具有排斥润湿的能力。“我会把它浸入溶剂中，然后它会完全干燥地出来，”他说。这种物理特性表明“有些很酷的事情正在发生”，努佐说。“但从微观角度理解发生了什么是一个极具挑战性的分析问题。”
努佐想知道刷毛状分子是如何紧密排列的，以及它们的方向，以及分子如何随着条件的变化而改变形状和在空间中移动。
分析和各种光谱技术专家大卫·阿拉拉加入了进来。“戴夫拥有使 SAM 的表征可行所需的远见、技能和定量能力，”努佐说。
努佐、阿拉拉、乔治·怀特塞兹和雅各布·萨吉夫共同分享了 2022 年科维理纳米科学奖，以表彰他们开发和表征了具有惊人特性的自组装单分子层。
“我们从 SAM 中了解到的关于复杂界面动力学和表面相关现象的知识是基础性的，”努佐说。它们为生产聚合物涂层奠定了基础，这些涂层应用于从电子产品和半导体到医疗诊断和植入式设备的各个领域。
在这里，努佐描述了今天的纳米科学如何催生量子电子学、与生命系统相互作用的纳米结构以及随着时间演变的四维结构。
哪些创新将推动下一代电子产品？
几十年来，晶体管都是在薄晶片上组装的。这种策略具有变革性，但我们在二维方面已经达到了极限。因此，世界开始将半导体提升到三维拓扑结构。
另一个受到高度关注的方法是量子 IT，在量子 IT 中，您可以为每个单位实际面积编码更多比特，因为事物的运作不仅基于电荷，还基于电荷和自旋。同样令人非常感兴趣的是使用光子而不是电子进行集成。
我无法想象今天的电子产品会被任何低于高度集成、高性能且复杂程度难以想象的结构所取代。
我们能设计出与生物物质相互作用的纳米结构吗？
纳米科学的前沿领域在于与医学相关的应用。在我们能够接近生物系统界面复杂性之前，还有很长的路要走。开发以医学相关方式与生物物质相互作用的材料是一个充满活力的研究领域。
例如，在我伊利诺伊大学任职的后期，我的合作者和我开始制造能够支持细胞并使其在 3D 微培养物中存活并保持其表型的支架。我们从背根神经节（具有五种不同的细胞类型）中取出外植体，并制造了 3D 支架，使这些细胞能够重新组织成模仿周围神经系统中的结构。
那些实验非常复杂且难以完成。但是，诸如此类的事情为进行神经修复的方法指明了方向。如果我还有另一个职业可以投入，我想我可能会减少对半导体的关注，而更多地关注与生命系统的互动。
艾利斯戴尔·麦克唐纳的插图
工程设计随时间变化的系统的潜在好处和挑战是什么？
四维打印是指设计其形式和结构可以变形的系统。这是一个新的前沿领域。人们正在制造复杂的结构，这些结构会像折纸一样响应渗透力的变化而折叠，并且他们正在使用它们来制造像人工肌肉一样运行的致动器。部分必要的是，材料可以响应它们在环境中感知、感觉和遇到的事物而改变其形式和功能。
我也喜欢瞬态结构或功能的想法，例如持续一段时间然后消失的粘合特性——例如用于组织修复或执行其功能然后消失的植入式设备。像该工程领域的莫扎特约翰·罗杰斯这样的人，已经探索制造像可吸收起搏器这样非常复杂的东西，它可以工作 30 天然后消失。我们已经有了可吸收的缝合线。因此，我们只需要将这种方法外推到也许高出 15,000 个数量级的复杂程度即可。
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