拉爾夫·努佐的面試進行得並不順利。
他回憶說：“我最近弄斷了手指。在我的演講過程中，我腦子裡想的全都是我用左手寫字有多困難，因為我右手拿不住粉筆。那簡直是一場災難。我確信他們絕對不會聘用我。”
但是，剛從研究生院畢業的努佐很快發現自己走進了貝爾實驗室神聖的殿堂，不知道下一步該做什麼。
貝爾實驗室專注於微晶片和電子產品，對努佐關於有機介面的研究感興趣——即聚合物表面在接觸包括水、生物物質或彼此在內的各種材料時的行為。為了探索這些表面的化學性質，努佐很快決定組裝和研究薄膜，這些薄膜本質上都是表面。
他說：“第一個實驗其實很容易。” 努佐取出一片金晶片，將其懸浮在含有他選擇的分子——一端帶有硫的碳氫長鏈——的溶液中。硫附著在金屬上，促使形成一層碳氫分子，這些分子像牙刷上的刷毛一樣從晶片表面突出。
這種薄膜——努佐的第一個自組裝單分子層（或稱“SAM”）——具有排斥潤溼的能力。“我會把它浸入溶劑中，然後它會完全乾燥地出來，”他說。這種物理特性表明“有些很酷的事情正在發生”，努佐說。“但從微觀角度理解發生了什麼是一個極具挑戰性的分析問題。”
努佐想知道刷毛狀分子是如何緊密排列的，以及它們的方向，以及分子如何隨著條件的變化而改變形狀和在空間中移動。
分析和各種光譜技術專家大衛·阿拉拉加入了進來。“戴夫擁有使 SAM 的表徵可行所需的遠見、技能和定量能力，”努佐說。
努佐、阿拉拉、喬治·懷特塞茲和雅各布·薩吉夫共同分享了 2022 年科維理奈米科學獎，以表彰他們開發和表徵了具有驚人特性的自組裝單分子層。
“我們從 SAM 中瞭解到的關於複雜介面動力學和表面相關現象的知識是基礎性的，”努佐說。它們為生產聚合物塗層奠定了基礎，這些塗層應用於從電子產品和半導體到醫療診斷和植入式裝置的各個領域。
在這裡，努佐描述了今天的奈米科學如何催生量子電子學、與生命系統相互作用的奈米結構以及隨著時間演變的四維結構。
哪些創新將推動下一代電子產品？
幾十年來，電晶體都是在薄晶片上組裝的。這種策略具有變革性，但我們在二維方面已經達到了極限。因此，世界開始將半導體提升到三維拓撲結構。
另一個受到高度關注的方法是量子 IT，在量子 IT 中，您可以為每個單位實際面積編碼更多位元，因為事物的運作不僅基於電荷，還基於電荷和自旋。同樣令人非常感興趣的是使用光子而不是電子進行整合。
我無法想象今天的電子產品會被任何低於高度整合、高效能且複雜程度難以想象的結構所取代。
我們能設計出與生物物質相互作用的奈米結構嗎？
奈米科學的前沿領域在於與醫學相關的應用。在我們能夠接近生物系統介面複雜性之前，還有很長的路要走。開發以醫學相關方式與生物物質相互作用的材料是一個充滿活力的研究領域。
例如，在我伊利諾伊大學任職的後期，我的合作者和我開始製造能夠支援細胞並使其在 3D 微培養物中存活並保持其表型的支架。我們從背根神經節（具有五種不同的細胞型別）中取出外植體，並製造了 3D 支架，使這些細胞能夠重新組織成模仿周圍神經系統中的結構。
那些實驗非常複雜且難以完成。但是，諸如此類的事情為進行神經修復的方法指明瞭方向。如果我還有另一個職業可以投入，我想我可能會減少對半導體的關注，而更多地關注與生命系統的互動。
艾利斯戴爾·麥克唐納的插圖
工程設計隨時間變化的系統的潛在好處和挑戰是什麼？
四維列印是指設計其形式和結構可以變形的系統。這是一個新的前沿領域。人們正在製造複雜的結構，這些結構會像摺紙一樣響應滲透力的變化而摺疊，並且他們正在使用它們來製造像人工肌肉一樣執行的致動器。部分必要的是，材料可以響應它們在環境中感知、感覺和遇到的事物而改變其形式和功能。
我也喜歡瞬態結構或功能的想法，例如持續一段時間然後消失的粘合特性——例如用於組織修復或執行其功能然後消失的植入式裝置。像該工程領域的莫扎特約翰·羅傑斯這樣的人，已經探索製造像可吸收起搏器這樣非常複雜的東西，它可以工作 30 天然後消失。我們已經有了可吸收的縫合線。因此，我們只需要將這種方法外推到也許高出 15,000 個數量級的複雜程度即可。
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