Nano-Tera.ch: taking nanotechnology innovations out of the lab and into our daily lives

Nano-Tera.ch is a Swiss national funding program for complex systems research involving micro- and nanotechnologies geared to health-related, safety-related, environmental, and energy-related applications.

The Nano-Tera.ch program is financed by the Swiss State Secretariat for Education and Research, in collaboration with the Swiss Federal Institute of Technology Board and the Swiss University Conference. The Swiss National Science Foundation is in charge of evaluating funded projects via a panel of international experts.

Since 2009 Nano-Tera.ch has financed over 60 projects, with a total four-year budget of CHF 120m. The main projects are generally undertaken by consortiums of 3 to 9 team members drawn from various Swiss research centers (i.e., federal technology institutes, universities and other research centers). Together, these institutions comprise a network of 31 centers with over 600 scientists and researchers.

Thus far, the funded research has generated approximately 300 journal publications and over 500 conference and workshop presentations and has also been covered several times in the media. Swiss National Science Foundation evaluations, as well as those conducted by Nano-Tera.ch’s Scientific Advisory Board, have emphasized the strength of the scientific research undertaken by the teams involved in the projects. The evaluations have also noted the major contribution made by the Nano-Tera.ch program to the development of nanotechnology-related engineering in Switzerland.

Internationally, Nano-Tera.ch has helped organize conferences, lectures and seminars, as well as a strategic initiative launched in 2011 and aimed at encouraging collaborations with China in fields covered by the program. This initiative took the form of an RFP for collaborative projects involving Switzerland and China, with 6 joint projects selected.

The private sector is involved in Nano-Tera.ch, with most large projects receiving support from manufacturing and industry. Currently, a total of 27 private-sector manufacturing partners contribute an aggregate CHF 6.3m to Nano-Tera.ch, and 8 patent applications are currently pending for work that has come out of Nano-Tera.ch projects.

The program’s first phase (2008-2012) is drawing to a close, and the second phase (2013-2016) is about to begin. During this second phase Nano-Tera.ch will add energy management, a field that is closely linked to environmental issues, to its three other focus-points, which are health, safety and the environment.

On 26-27 April 2012, Nana-Tera.ch will have its annual general meeting, during which representatives of the various funded projects present their results. The leaders of the 19 main projects will provide an overview of their consortium’s work. There will also be approximately 100 poster presentations detailing various aspects of the projects. The meeting will take place at the Zurich Marriott Hotel, with an opening speech by Prof. Hugo de Man, Honorary Professor at the Catholic University of Louvain (Belgium) and senior fellow at IMEC. He has written numerous landmark papers on such subjects as very large-scale system integration (VLSI). A panel discussion featuring representatives of manufacturing and industry and addressing possible applications of nanotechnology is also planned.

More information on Nano-Tera.ch’s operations may be found at www.nano-tera.ch.

Contact: Patrick Mayor, Scientific Coordinator +41 21 693 55 39 info@nano-tera.ch

   

 

Press pack 

Hi‐tech projects to help define the future 

Tomorrow’s technology today 

1. An overview of the Nano‐Tera projects and their results  

Nano‐Tera,  a  Swiss  funding  program  for  complex,  forward‐looking  nanotechnology  initiatives,  has 

funded 68 projects since 2008. The results of these projects will be presented by researchers at the 

annual Nano‐Tera meeting in Zurich, Switzerland on April 26th. Projects concerning intelligent tissues 

and prosthetics, cocaine detection  in saliva samples, an artificial on‐chip digestive system and  live‐

cell  pollution  sensors  will  be  on  the  agenda  in  Zurich.  Each  of  these  projects  helps  to  improve 

environmental‐, health‐ and safety‐monitoring systems.  

 

Nanotechnologies in our daily lives 

As we enter the 21st Century, nanotechnologies (i.e., technologies whose scale is on the order of one 

millionth of a millimeter) are already present in our daily lives, for example in electronics (in our cell 

phones)  or  in  commonly  used  administrative  documents  like  biometric  ID  cards.  Recent 

developments in medicine also employ nanotechnologies. Nano‐Tera’s support for nanotechnologies 

helps fund research aiming to make a concrete impact on our lives via people‐centered applications.  

Nano‐Tera  privileges  an  interdisciplinary  approach  as  the  best  way  to  obtain  results,  and  this 

approach brings  together  specialists  from a diverse array of disciplines and backgrounds. Over 30 

institutions,  including  the Swiss Federal  Institutes of Technology  in Lausanne and Zurich,  the CSEM 

(the  Swiss Center  for  Electronics  and Micro‐technology),  the CHUV  (Lausanne University Hospital) 

and  IBM‐Zurich participate  in Nano‐Tera. Pooling  the expertise of all  the various participants helps 

Nano‐Tera  efficiently  develop  nano‐scale  equipment  that  is  in  line with  the  needs  of  the  general 

public.  

This  emphasis  on  applied  research,  together  with  the  focus  on  interdisciplinary  collaborative 

projects,  sets Nano‐Tera apart among  the  various  funding  sources  for  Swiss  scientific  research on 

nanotechnologies. 

www.nano‐tera.ch   

 

 

 

2. A selection of projects and their applications  

 

The Nutrichip miniature on‐chip artificial  intestine makes  it possible to observe  in vitro the 

effects of various nutrients on the human body once they have been digested. The platform 

has sparked the  interest of Nestle. The food‐and‐nutrition‐sector multinational  is  interested 

in objectively testing the impact of its dairy products on health.   

 

The  TecIntex  project  involves  creating  “intelligent”  sensor‐equipped  textiles  that  are 

washable and wearable and capable of monitoring muscle‐tissue oxygenation. In particular, 

the  project  team  is  developing  socks  that  can  detect  peripheral  vascular  disease,  and 

underwear  that  can  detect  incipient  pressure  ulcers  (or  “bedsores”)  in  paraplegics  and 

people who are confined to their beds.    

 

The Irsens  integrated optical sensing platform can detect cocaine in a saliva sample or pick 

up the signs of a gastric ulcer in air exhaled by a person. The platform has great potential in 

anti‐doping applications and can also be used to analyze air pollution levels. 

 

The Livesense project consists of an autonomous node made of  living cells that function as 

biosensors. The platform’s nodes can be contacted remotely  from a mobile phone: a node 

placed  on  a  riverbank,  for  example,  can  provide  information  on water  pollutants  at  its 

location remotely, via text message.   

 

The Nexray  project  aims  to  produce miniaturized  X‐ray  sources,  an  innovation which will 

drive a  striking  improvement  in  the  resolution of X‐rays  and  a  reduction  in  radioactivity. 

Nexray will also make  it possible to reduce  the size of medical equipment, paving the way 

for off‐site medical exams such as mammograms that could be performed by doctors  in a 

house‐call setting in regions that are far from hospitals.  

 

 

 

 

 

3. More details on several projects 

 

IR‐Sense 

Detecting cocaine in a simple saliva sample 

 

“Getting past the breathalyzer” may not be good enough much  longer for people who shouldn’t be 

behind the wheel when the police pull them over. The IrSens Nano‐Tera project team is developing a 

portable integrated sensing platform for gases and liquids that can be used to detect the presence of 

cocaine in saliva. The police could use this system by simply placing the sample in the detector, which 

is roughly the size of a suitcase. The same technology can be used to  identify stomach ulcers based 

on exhaled air. 

The  IrSens platform  is based on optical absorption techniques  in  the near‐ and mid‐infrared range, 

which are used to analyze liquids and gasses. Cocaine detection is performed by beaming a laser into 

a saliva sample. Spectroscopy techniques make it possible to precisely identify the molecules that are 

being  screened  for,  based  on  the  idea  that  different molecules  react  in  different ways  to  light. 

Depending on  the  laser’s  frequency,  certain molecules will vibrate, providing  information on  their 

nature and their mass. “Saliva is tough to analyze,” says researcher Yargo Bonetti. “It contains many 

different sorts of molecules and  its pH, viscosity and composition constantly change, depending on 

what the person has eaten or even their mood.” 

Regarding gas analysis, the platform has been successfully tested on Helicobacterpylori  bacteria, 

which  cause  stomach  ulcers.  The  platform  can  detect  the  bacteria  in  air  exhaled  by  an  affected 

person.  This  could  lead  to  better  treatment  for  ulcer  victims,  and  the  team  is  considering  other 

possible applications for the platform, notably environmental uses.  

 

Principal investigator: Jérôme Faist, ETHZ   

Other participants: 

EPFL  UniNE 

EMPA  FHNW 

 

Further information:   

Martin Rajman, Nano‐Tera Director 

021 693 52 77, martin.rajman@epfl.ch 

 

LiveSense 

Water pollution information in real time via text message 

 

Our  lakes  and  rivers  contain pollutants,  sometimes  in  large  amounts.  These  can  include  common 

pain‐relieving drugs, phosphorous, nitrates,  insecticides and  industrial solvents. A current challenge 

is to come up with a way to analyze the cleanliness of the water at bathing sites – before people have 

gone for a swim.  

The Nano‐Tera project LiveSense provides a solution. Their portable cell‐based sensing micro‐system 

can detect water pollutants and make the information available very quickly. Water‐safety data can 

be sent via text message to anyone who dials up the platform. “Back in the day, miners counted on 

the proverbial ‘canary in the coal mine’ to know whether the air was safe to breathe,” recounts EPFL 

Professor and Project Coordinator Philippe Reynaud. “When the canary stopped singing and began to 

suffocate,  it was time to get back up out of the mine. Our system  is  like a modern‐day canary, but 

focused on water quality rather than air quality.” Contrary to traditional monitoring systems, which 

are  centralized  and  require major  infrastructure,  the miniaturized  LiveSense  system  can  provide 

continuous monitoring at multiple sites. “Currently, water pollution in a river is only detected several 

days after the spill has occurred, once the fish start dying or the water changes color. LiveSense is an 

early warning system that makes it possible to take action well before there are any external signs of 

a problem,” continues Reynaud.    

It  is the use of biosensors—living cells used as detectors—that makes  it possible to miniaturize the 

platform. However, living cells are difficult to maintain. As the conditions under which the cells may 

be  incubated  are  quite  exacting,  the  project  team  has  equipped  the  autonomous  node  with  a 

bioreactor that provides constant nutrition to the cells and keeps them at a constant temperature. 

Once  the  cells  are  stable,  they  are  continuously  exposed  to water  from  a  given  source  (i.e.,  the 

source to be tested). If for some reason the contents of that water source begin to “stress” the cells 

and  the cell population  is no  longer stable,  the machine  immediately detects  this and sends a  text 

message  out.  “We’re  monitoring  the  condition—good  or  bad—of  those  tiny  organisms,”  says 

Reynaud.   

Principal investigator: Philippe Renaud, EPFL 

Other participants: 

 

HES‐SO     UNIL 

CSEM      ETHZ 

IST 

 

NutriChip 

Analyzing food quality with an artificial intestine: the NutriChip  

What happens  in our bodies when we have eaten something? NutriChip was developed  to answer just that question. It is a miniature on‐chip artificial intestine that can be used to observe in vitro the effects of nutrients on health. The NutriChip project’s  first  tests have already been conducted, on dairy products.  

“Food brings pro‐inflammatory molecules with  it when  it hits  the  intestine,”  says Guy Vergères, a member  of  the  Agroscope  Liebefeld‐Posieux  (ALP)  Research  Center.  These molecules  set  off  an immune  response,  in  the  form  of  slight,  temporary  inflammation.  Biomarkers  for  inflammation, notably  cytokines,  can  then be  found  in  the blood. This  is a normal phenomenon, but  it must be monitored. “If this happens over and over for a  long period of time,  it can set the stage for chronic inflammatory disease,” warns Vergères.  

The NutriChip platform’s usefulness is that it makes it possible to compare different foods in terms of their  ability  to  lower  the  concentrations  of  those  biomarkers  –  and  thus  possibly  their  ability  to reduce  inflammation  itself. The research team began  its tests with milk. “Some studies have shown that dairy products  can  reduce  the  concentration of  inflammatory biomarkers  in  the blood, while others did not find any significant reduction in concentrations. With the NutriChip, we will be able to contribute new scientific data to this debate,” says EPFL Professor Martin Gijs. 

The NutriChip platform takes the shape of a two‐level chip, whose levels are connected via a porous membrane. The upper level, which represents the intestinal wall, is made of a homogeneous layer of cultured epithelial cells. The lower level represents the circulatory system and is made up of immune system  cells,  and  in  particular  macrophages.  When  macrophages  encounter  any  potentially dangerous  agents within  the  body,  they  release molecules  such  as  cytokines  that  activate  other immune‐system  cells.  For  each  food  tested,  the  NutriChip  platform  uses  CMOS  high‐resolution optical sensors to precisely detect and measure cytokine production by the immune cells that are on the other  side of  the  layer of  intestinal wall  cells.    These measurements  show exactly how much inflammation is caused by a given food.  

Human testing  is currently underway at Bern University Hospital to determine  if NutriChip’s results line up with what happens in real people’s bodies.  

Principal investigator: Martin Gijs, EPFL 

Other participants: 

ETHZ    ALP 

UniBas 

 

 

X‐Sense 

An Alpine landslide early‐warning system 

The X‐Sense project aims to prevent situations where an Alpine chalet is built ‐‐ only to be swept 

away by a landslide ten years later. The project team has developed wireless sensing technology that 

can continuously gather data on site in the mountains, along with an analytical method that aims to 

predict danger and thereby reduce geophysical risks like the one described above. A prototype is 

already collecting data in the Mattertal valley, near Zermatt.  

Climate change and the glacial retreat it has caused have made some steep rocky terrain in the Alps 

unstable. In some cases, people who live in or hike through the mountains are at risk of life‐

threatening accidents such as landslides and rock‐fall. Landslides and other Alpine terrain 

movements, including rock‐fall, are still poorly understood and difficult to predict. The X‐Sense 

platform aims to address this problem thanks to differential GPS sensing and high‐precision multi‐

dimensional sensors that can precisely and continuously measure geophysical movement, even in 

extreme Alpine conditions. Data is sent wirelessly to a base station and then on to the host. The 

objective is to integrate the various data types during analysis, including satellite images and HR 

imaging data.  

“The fact that X‐Sense can gather data continuously makes it possible to understand the influence of 

many parameters on  geophysical movement,  for  example  how  a melting  snowpack  can  influence 

geophysical movements,” says researcher Jan Beutel. “This is a very timely project. There are places 

in the Alps where the land moves several meters per year.”   

Principal investigator: Lothar Thiele, ETHZ 

Other participants: 

UZH FOEN GAMMA