Stefano Fonash

Cattedra Bayard D. Kunkle in Scienze ingegneristiche
Direttore del Penn State Center per l'educazione e l'utilizzo delle nanotecnologie
Direttore, PA Nanofabrication Manufacturing Technology Partnership
Direttore del Centro nazionale di conoscenze e applicazioni nanotecnologiche della National Science Foundation
Penn State University

University Park, Pennsylvania, Stati Uniti

Formazione scolastica:

• Laurea in scienze ingegneristiche, Pennsylvania State University
• Dottorato di ricerca, Ingegneria, Università della Pennsylvania

Focus del lavoro:

Il dottor Stephen Fonash è titolare della cattedra Bayard D. Kunkle in scienze ingegneristiche presso la Pennsylvania State University. Le sue attività alla Penn State includono il ruolo di direttore del Penn State's Center for Nanotechnology Education and Utilization (CNEU), direttore del National Nanotechnology Applications and Career Knowledge (NACK) Center della National Science Foundation e direttore della Pennsylvania Nanofabrication Manufacturing Technology Partnership.

Consigli agli studenti:

Parla con i tuoi insegnanti delle scuole superiori, ma tieni presente che potrebbero non essere troppo esperti in nanotecnologia e in tutto ciò che può fare. Ricorda che quando vai all'università, non entrerai subito nel mondo delle nanotecnologie: entrerai nei corsi STEM di base (scienza-tecnologia-ingegneria-matematica). 

Collegamenti:

  – Penn State University

Colloquio:  

D: Quando hai scoperto per la prima volta che il tuo percorso professionale si concentrava sulle nanotecnologie?
Fonash: Alla fine degli anni '80, poiché la mia area di ricerca riguardava i dispositivi elettronici, ero naturalmente portato lungo il percorso di cose sempre più piccole. A quel tempo lavoravo nel campo dei sensori, dei transistor, dei diodi e anche del fotovoltaico, come continuo a fare. L'evoluzione delle dimensioni dei sensori e della microelettronica si è indirizzata verso oggetti sempre più piccoli e ho iniziato a realizzare i vantaggi offerti dall'unicità della nanoscala in molte applicazioni. Inoltre in quel periodo i miei interessi si ampliarono notevolmente e cominciai ad interessarmi molto alle applicazioni biologiche della nanotecnologia. A causa di questo crescente interesse per la nanoscala e la sua importanza, nel 1992 ho fondato la Penn State Nanofabrication Facility. In un certo senso ho portato la nanotecnologia alla Penn State: penso che questo sia più o meno riconosciuto alla Penn State. Più o meno in quel lasso di tempo ho lavorato con Cornell, Stanford e Howard e insieme abbiamo fondato quella che è stata chiamata National Nanotechnology Users Network (NNUN) della National Science Foundation (NSF) per rendere le strutture nanotecnologiche disponibili per l'uso da parte di ricercatori e aziende in tutto il mondo. Paese. Abbiamo avuto 10 anni di finanziamenti NNUN da parte della NSF per questa missione, e poi ho guidato Penn State nella NSF National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN), il successore della NNUN, che continua ancora oggi. Nel 1998 ho fondato anche il Centro per l'Educazione e l'Utilizzo delle Nanotecnologie (CNEU) che continuo a dirigere.

Sono un ricercatore oltre che un insegnante: di solito insegno corsi a livello di studenti laureati. Tuttavia, intorno al 1998, l’industria della Pennsylvania venne da me con la necessità di più tecnici formati in micro e nanotecnologie nella PA. Quindi, insieme siamo andati nello stato e abbiamo creato nel 1998 la Pennsylvania Nanofabrication Manufacturing Technology (NMT) Partnership. Questo fu l’inizio del mio interesse verso un’educazione efficace per lo sviluppo della forza lavoro nel campo delle nanotecnologie. Il concetto NMT era – ed è – che la Penn State condividesse le proprie risorse con la comunità dell’Autorità Palestinese e gli istituti tecnici per offrire agli studenti di laurea biennale un’istruzione pratica in micro e nanotecnologie. Ho parlato con docenti, presidi e presidenti di queste scuole e insieme abbiamo lavorato per istituire programmi di nanotecnologia per studenti di laurea biennale in tutta la Pennsylvania. Secondo il concetto PA NMT, gli istituti di laurea biennale mandano i loro studenti per un semestre alla Penn State e noi offriamo loro un'immersione pratica nella nanotecnologia. Abbiamo sviluppato una serie di sei corsi per insegnare una serie di competenze a questi tecnici, in modo che possano trovare lavoro in una varietà di campi. Il pilastro filosofico chiave di ciò che ho iniziato con la PA NMT Partnership è la condivisione: sono riuscito a convincere Penn State a condividere le sue strutture con i community college e a insegnare questo semestre di immersione nella NMT come servizio per questi community college della PA. Un altro pilastro fondamentale è educare gli studenti per tutta la vita: fornire loro competenze che dureranno tutta la vita e non educarli per un settore. Quindi, con questa filosofia, le persone che escono dal programma PA NMT lavorano per aziende farmaceutiche, lavorano per aziende chimiche, alcune lavorano per aziende di elettronica, lavorano per aziende di celle solari, tutti i tipi di aziende. E guadagnano un diploma associato, ma non dalla Penn State, ma dal loro community college. Penn State insegna solo questo semestre di immersione. Penn State ora fornisce questo servizio a 33 scuole in Pennsylvania. Abbiamo diplomato quasi 900 studenti da questo programma. Ora, lo Stato di New York ha adottato questo approccio allo sviluppo di una forza lavoro qualificata nel campo delle nanotecnologie. Lo stanno facendo con i college comunitari e SUNY Albany è il partner universitario. Anche il Minnesota lo sta facendo. L'università partner è l'Università del Minnesota e il college comunitario chiave è il Dakota County Technical College. E lo Stato di Washington e l’Indiana lo stanno facendo; Porto Rico lo sta facendo.    

D: A quali attuali applicazioni della nanotecnologia stai lavorando?  
Fonash: Sto lavorando in diverse direzioni di ricerca. Tutti coinvolgono in qualche modo la nanotecnologia. Stiamo lavorando sui transistor su scala nanometrica e utilizziamo nanofili di silicio che produciamo con un approccio molto diverso rispetto a quello che normalmente usiamo. Normalmente, le persone mettono i catalizzatori che causano la formazione dei nanofili di silicio su una superficie vuota, e non sanno esattamente dove andrà il catalizzatore, e poi fanno crescere i nanofili di silicio. Poi provano a raccoglierli, a catturarli e poi a metterli. E pensiamo che non sia un modo realizzabile di fare le cose. Poiché sono un ingegnere, mi piace la scienza, ma mi piace anche fare qualcosa che sia ragionevole. Quindi abbiamo ideato uno schema in cui realizzi effettivamente un piccolo tunnel, orientato orizzontalmente, ed è esattamente dove vuoi che sia il transistor. Poi inseriamo il catalizzatore nel tunnel e poi facciamo crescere il nanofilo nel tunnel e lo trasformiamo in un transistor. E non devi spostare il nanofilo poiché lo hai fatto crescere dove volevi - e per questo abbiamo un brevetto. Lo chiamiamo “grow-in-place”, in contrapposizione a “grow-and-place”, che è il modo in cui lo fanno praticamente tutti gli altri. Ma ci sono problemi con il nostro approccio che richiedono ulteriori ricerche. I problemi hanno a che fare con la morfologia attorno alla superficie del nanofilo, ma siamo comunque diventati molto bravi a realizzare transistor eccellenti, e abbiamo pubblicato qualcosa in merito. E poi stiamo esaminando nuovi modi di utilizzare il posizionamento del catalizzatore utilizzato nel tunnel: stiamo esaminando diversi modi di autoassemblaggio di quel catalizzatore e stiamo continuando a sviluppare quell'idea. 

L’altra grande area dei miei attuali interessi riguarda l’uso della nanotecnologia nelle celle solari. Sono attivo nella ricerca sulle celle solari da circa 35 anni e ho scritto il libro Solar Cell Device Physics, pubblicato nel 2010 e che è praticamente accettato come la "bibbia" per questo argomento. Abbiamo sviluppato un programma per computer chiamato AMPS (io e i miei studenti) che viene utilizzato da circa 2000 persone in tutto il mondo ed è molto apprezzato. E continuiamo a sviluppare celle solari. Abbiamo un nuovo concetto basato sulle nanostrutture, che stiamo sviluppando, e ho fondato la mia seconda società spin-off chiamata Solarity, che possiede la proprietà intellettuale di questa nuova idea.

L'altra società che ho fondato si chiama NanoHorizons. È nato dal mio interesse per la nanotecnologia, la biologia e la medicina. NanoHorizons produce nanoparticelle d'argento per applicazioni antimicrobiche. L'argento è antimicrobico, lo sapevano i Fenici 2500 anni fa. Non sapevano perché, ma notarono che i vasi che contenevano monete d'argento erano in grado di mantenere l'acqua fresca più a lungo. Quindi i Fenici se ne accorsero 2500 anni fa, e i Romani lo usarono, e si scopre che funziona perché l'argento è antimicrobico. Quando nasce un bambino, di solito gli vengono somministrate gocce di nitrato d'argento negli occhi per lo stesso motivo, perché gli ioni d'argento sono antimicrobici. Se produci argento su scala nanometrica, non ne usi molto, ma risulta essere molto attivo come agente antimicrobico e ucciderà virus e batteri.      

D: Qual è la cosa più gratificante nel lavorare con la nanotecnologia?
Fonash: Lavorare su scala nanometrica apre le porte a nuove opportunità. Nella nostra ricerca sulle celle solari, ad esempio, siamo in grado di utilizzare nanostrutture per costruire celle che funzionano in modo più efficiente e utilizzano meno materiale: meno materiale significa costi di produzione più bassi. Siamo in grado di farlo grazie a due fenomeni naturali che diventano importanti solo su scala nanometrica. Questi sono chiamati fotonica e plasmonica. E ci sono altri fenomeni che diventano importanti solo su scala nanometrica e che altri gruppi stanno sfruttando per progressi simili nei prodotti. 

D: C'è un esempio che puoi fornire che mostra come qualcosa su cui hai lavorato ha avuto un impatto positivo sul mondo?
Fonash: Penso che il mio libro sulla fisica dei dispositivi a celle solari abbia avuto un impatto molto positivo. La prima edizione è uscita nel 1981 e insieme alla nuova edizione è stata accolta molto bene e utilizzata in tutto il mondo. E penso che l'altra cosa che posso sottolineare è che il nostro programma per computer AMPS è stato accolto estremamente bene. Questo programma viene utilizzato in tutto il mondo per analizzare e progettare celle solari, rilevatori e altri dispositivi. Ho incoraggiato l'università a consentire il download gratuito del codice sorgente AMPS da parte di altre persone, e così ora il programma AMPS si è evoluto. L'Università dell'Illinois ne ha appena pubblicato la versione più recente circa 3 mesi fa e anche loro stanno seguendo il nostro esempio e stanno rendendo questa versione evoluta disponibile gratuitamente alla comunità scientifica e ingegneristica per accelerarne lo sviluppo. Penso anche di aver dato un contributo nel campo dell'elettronica, in particolare a quella che viene chiamata elaborazione basata sul plasma, ma il mio libro e AMPS sono i contributi di cui vado più fiero. Se passo all'istruzione, sono davvero orgoglioso di ciò che ho fatto con lo sviluppo della forza lavoro. Penso davvero che sia un contributo positivo. Convincere le università a collaborare con i community college non è stato facile, ma sono molto felice che abbiamo avviato il programma, e lo stiamo diffondendo ora in tutti gli Stati Uniti. Credo che l’approccio della condivisione abbia senso dal punto di vista economico ed educativo per il Paese.    

D: Qual è secondo te l'impatto più grande che la nanotecnologia ha avuto finora sul mondo?  
Fonash: Penso che i maggiori contributi arriveranno dalla medicina e stiamo iniziando a vederne gli inizi. Penso che la nanotecnologia stia già contribuendo all'imaging MRI e stia già contribuendo alle terapie contro il cancro: esistono diverse terapie approvate dalla FDA e utilizzate clinicamente. E si potrebbe dire che oggi l'elettronica è davvero nanoelettronica. Se i transistor non fossero costruiti su scala nanometrica, non avremmo tutte le funzionalità e la memoria di cui disponiamo. Ma penso che l’impatto maggiore si avrà nella medicina.  

D: Per favore, fornisca un esempio di ciò che prevede che le applicazioni nanotecnologiche porteranno in futuro. 
Fonash: Come ho notato prima, la nanotecnologia darà un grande contributo alla medicina. Guardando ad altri settori, contribuirà in modo significativo anche alla produzione e al risparmio energetico. Il nostro lavoro sulle celle solari che ho menzionato mostra solo un modo in cui la nanotecnologia può influenzare la produzione di energia. E il crescente impatto delle nanotecnologie sulla catalisi influenzerà il risparmio energetico e la conservazione in generale: significherà processi meno costosi e processi di produzione meno inquinanti.    

D: Ti ritrovi a lavorare di più in una situazione di squadra o più da solo?
Fonash: Entrambi. Lavoro da solo quando mi vengono le idee e penso alle idee, ma ho intrinsecamente una squadra, un gruppo di studenti laureati e postdoc, e mi piace l'approccio di squadra per due motivi. Primo, mi piace sentire le loro opinioni sulle idee e se pensano che io abbia torto o ragione. Il team può sistemare le cose e dirmi cosa è meglio, e spesso lo fanno. E l'altra cosa è che una squadra ti dà più cervello e più mani, quindi puoi fare di più in un giorno. Quando lavoro con i miei studenti o dottorandi, l'interazione è molto intensa e divertente.     

D: Se lavori di più in squadra, quali sono le altre aree di competenza dei membri del tuo team?   
Fonash: Gli studenti laureati e il personale post-dottorato del nostro team provengono da contesti diversi. Al momento le persone del team provengono da ingegneria elettrica, fisica, chimica, bioingegneria, informatica e scienza dei materiali. La nanotecnologia è intrinsecamente interdisciplinare e sono comuni team con composizioni diverse come il nostro.  

D: La tua formazione universitaria ti ha aiutato nel tuo lavoro sulle nanotecnologie?
Fonash: Oh certo, perché la mia formazione universitaria riguardava fisica di base, chimica e matematica, quindi assolutamente. Sono un prodotto dell'educazione STEM vecchio stile e, credo, non c'è niente di meglio che conoscere i principi di base. Penso che il grande vantaggio dell’istruzione universitaria sia la formazione di base in fisica, chimica, biologia, matematica e lo sviluppo dell’idea di mettere in discussione tutto – di essere curiosi. E penso che questa sia una parte molto importante dell'istruzione universitaria. Cerco di trasmetterlo agli studenti laureati e agli studenti universitari a cui insegno. Poni domande su tutto. Puoi guardare qualcosa in un modo diverso e dare un contributo. L'esempio a cui penso sempre sono le valigie. 30 anni fa tutti portavano in giro una valigia. Alla fine qualcuno ha avuto l'idea di mettere le ruote sulle valigie. Meno male che quella persona sapeva della ruota e l'ha attaccata lì. Quindi penso che sia una questione di avere un'ottima istruzione - nel caso di un ingegnere o uno scienziato - in biologia, matematica, chimica e fisica... ed essere molto curiosi e curiosi.    

D: Hai un mentore? Lo hai fatto durante gli anni del college?
Fonash: Penso che il mio mentore #1 fosse mio padre. Era un ingegnere, sempre curioso, faceva sempre le cose in modo diverso. Gli è sempre piaciuto capire come fare qualcosa di diverso. A livello universitario avevo un professore che ammiravo ed era molto bravo. E, tornando al liceo, avevo un insegnante di chimica che era molto bravo. Era un po' eccentrico, ma era anche molto curioso e molto bravo. Ciò potrebbe allontanare alcuni ragazzi perché pensavano che fosse strano - e io pensavo che fosse strano - ma mi piaceva che guardasse le cose in modo diverso. Al college avevo molti professori che inconsciamente volevo emulare. Ma penso che il mio mentore #1 fosse mio padre.  

D: Se dovessi rifare tutto da capo, ti concentreresti ancora sulle applicazioni delle nanotecnologie?
Fonash: Oh, sicuramente. Ma, se dovessi rifarlo da capo, probabilmente prenderei più biologia insieme a fisica e chimica.

D: Che consigli hai per gli studenti pre-universitari?
Fonash: Beh, lasciatemi parlare in termini generali, penso che debbano cercare di imparare il più possibile sulla nanotecnologia. Internet è un posto... e penso che dovresti leggere il più possibile. Penso che ci siano molte cose che le università stanno facendo per cercare di far circolare informazioni. Parla con i tuoi insegnanti delle scuole superiori, ma tieni presente che potrebbero non essere troppo esperti in nanotecnologia e in tutto ciò che può fare. Ricorda che quando vai all'università, non entrerai subito nel mondo delle nanotecnologie: entrerai nei corsi STEM di base. Ma nella tua università o college, guardati intorno tra i docenti e vedi chi sta facendo cosa – e parla con loro. La maggior parte di loro sarà disposta a parlare con te e potrebbero avere lavori per studenti universitari in estate, o anche durante il semestre, dove potrai imparare di più. Non è che qualcuno te lo dirà, devi uscire e guardare.