Den næste store ting på MIT vil være meget, meget lille

Officielt er det kendt som MIT.nano. Men de mennesker, der er involveret i bygningens konstruktion, kalder det gerne The Machine.

Det er et passende navn for det bemærkelsesværdige nye anlæg, der tager form inden for spytteafstand fra Infinite Corridor. Bygningen er designet til at rumme to etagers renrumsrum udstyret med verdens mest avancerede værktøjer til forskning i nanoskala, og bygningen vil i sandhed være en slags højteknologisk maskine, der brummer af luftbehandlingsudstyr og hundredvis af sensorer, der konstant overvåger alle aspekter af miljø.

Enhver, der kigger ud af vinduerne langs Infinite, har set et dramatisk år med fremskridt på MIT.nano-stedet, som støder op til MIT's Building 10 med dens Great Dome. Hvad der begyndte som et meget stort hul i jorden, har spiret en stålramme med glas- og betonydervægge for det meste på plads. Inden sommeren 2018 vil forskning i strukturer i skalaen af ​​atomer og molekyler begynde at finde sted inde i anlægget, hvis konstruktion er et af de største, mest ambitiøse og mest udfordrende byggeprojekter, der nogensinde er gennemført på MIT.

MIT.nanos overbygning fra begyndelsen af ​​marts 2016.

Når det er færdigt, vil dette sandsynligvis være den mest komplekse bygning på campus, siger Vladimir Bulović, MIT.nanos fakultetsleder. Dens systemer er meget integrerede og udsøgt tunede, som de ville være i en kompleks, storslået maskine.

Disse systemer vil opretholde det ultra-urørte miljø, der kræves for at undersøge nanoteknologi. Om et par år fra nu af kan nogen, der går forbi den glasvæggede bygning, være vidne til en forsker, der arbejder på en ny enhed, der vil revolutionere fremstillingen af ​​lægemidler, rensningen af ​​vand eller lagringen af ​​elektrisk strøm.

En del af en mikroelektromekanisk system (MEMS) enhed, som MIT's Microsystems Technology Laboratories producerede på en desktop-fabrikationsenhed.

Målet med MIT.nano er at indeholde ethvert banebrydende nanoskalaværktøj, som kan fremme teknologi og videnskab, siger Bulović, der er Fariborz Maseeh-professor i Emerging Technology og associeret dekan for innovation på School of Engineering. Det giver dig mulighed for at manipulere alt fra individuelle atomer til håndholdte objekter. Det vil give en måde at gøre [alt fra] opdagelser i atom-skala til mikron-skala opdagelser til millimeter-skala til håndholdt størrelse. Vi vil være i stand til at manipulere stof i en skala, som du ikke kan gøre andre steder på campus.

I dag skal forskere, der skal bruge rene rum og specialiserede værktøjer til arbejdet med nanoteknologi, som er placeret på flere etager i bygning 39, gå meget langt for at undgå at forurene deres prøver - og skal blive ved med at skifte ind og ud af rene rumstøj. - mens de bærer deres enheder og igangværende arbejde fra et sådant rum til et andet. Og efterspørgslen efter det nødvendige udstyr er så høj, at nogle MIT-forskere har været nødt til at udføre noget af deres arbejde på Harvard.

En film i nanoskala udviklet af Paula Hammond '84, PhD '93, og Bryan Hsu, PhD '14, kan bruges til at levere medicin ved direkte injektion eller ved at belægge implanterbart medicinsk udstyr.

MIT.nano vil mere end fordoble instituttets fælles rum til forskning i nanoskala, hvilket gør centralt placeret, avanceret udstyr let tilgængeligt for alle, der har brug for det. Tænk på det som et ekstremt skaberrum, siger Bulović.

At skubbe atomer rundt

Vi har vidst i mange, mange år, at tingene betyder noget nede på nanoskalaen, siger Bulović. Men i lang tid havde vi ikke en chance for rigtigt at se. Så, i 1981, opfandt forskere hos IBM scanningstunnelmikroskopet, det første værktøj, der kunne se individuelle atomer. Og det, siger han, bragte os tættere på en forståelse af, hvorfor nanoskalaen gør, hvad den gør.

Mange af de ting, vi oplever eller bruger i dagligdagen, er baseret på nanoteknologi, men det sætter vi ikke rigtig pris på, siger Bulović. Vaskemidlerne giver rent tøj en lysere end hvid glød, fordi de bruger fosfor i nanoskala. Alt, hvad du lugter, er duftmolekyler, der tilfældigvis er en nanometer store - din næse har nanoskala-detektorer for at fornemme den lugt. Vores smagsløg fornemmer nanoskala og mikroskala funktioner i vores mad - det er det, der giver os smagsfornemmelsen. Hvorfor føles de keramiske fliser koldere end trægulvet, når de faktisk begge har samme temperatur? Det er atomernes vedhæftning på nanoskala og den måde, de leder varme væk fra din krop, der er anderledes.

En overflade udviklet af MIT og saudiske ingeniører er belagt med en nanoskala ferrofluid for at tillade magnetisk kontrol af vanddråber og partikler.

Siden de fik evnen til at se på atomer, har forskere i stigende grad lært, hvordan man manipulerer og skaber strukturer i den skala. Nu er nanoteknologi – fremstilling eller manipulation af materialer, hvori mindst én af de tre dimensioner er målt i nanometer (milliarddele af en meter) – på forkant med en svimlende række af arbejde. Det bliver brugt til at udvikle nye slags systemer til farmaceutisk fremstilling og lægemiddellevering, radikalt nye materialer til at opfange solenergi, højeffektive måder at rense vand på, biokompatible fibre, der kunne levere både stimuli og medicin, mens de returnerer data om kroppens reaktioner, robotudstyr i stand til at manipulere molekyler, strukturerede nanomaterialer, der kan frigøre kraften ved kvanteberegning og meget mere.

Nanoteknologi er i sagens natur multidisciplinær. Faktisk kan den slags forskning, der vil blive udført i rene rum, billedbehandlingsfaciliteter og prototypefabrikationsrum på MIT.nano, have dybtgående indvirkninger på tværs af en række videnskabelige og tekniske felter, der er så brede, at anslået 2.000 fakultetsmedlemmer, postdocs, og studerende forventes at bruge anlægget årligt. Blandt nyansatte fakulteter vil mere end halvdelen på Naturvidenskabsskolen og to tredjedele på Ingeniørhøjskolen formentlig benytte sig af det.

En gengivelse af MIT.nano set fra Bygning 4.

At give forskere adgang kan give store resultater. For eksempel, siger Bulović, kører verden nu for det meste på elektricitet, men dens produktion og brug kan være meget ineffektiv - og nanoteknologi kan bringe forbedringer på mange områder, herunder solceller. Der er nogle muligheder på vej frem, som kan omdefinere den måde, solceller fungerer på, fordi du kan begynde at bruge nanoskalastrukturen af ​​materialer eller kvanteprikker til at generere solceller, der er tyndere, lettere, mere anvendelige end nogen tidligere solteknologi, og som et resultat mere skalerbart, siger han. Det ville være en game changer.

Nanoteknologi kan også hjælpe med at afværge en truende krise i energiforbruget til computere. Cloud computing i dag bruger måske 3 eller 4 procent af den elektricitet, der bruges over hele kloden, siger Bulović, men det vokser hurtigt: Der er en prognose om, at vi får brug for tusind gange mere cloud computing et årti fra nu. Med nye chips baseret på nanoteknologi kan enorme spring i effektivitet muligvis undgå den resulterende kraftknas.

MIT-ingeniører designet et atomkraftmikroskop, der fanger billeder af strukturer så små som en brøkdel af en nanometer 2.000 gange hurtigere end kommercielle modeller.

Nye muligheder inden for nano-sensing lover også meget. Forskere, inklusive Timothy Swager, arbejder på en multifunktionel elektronisk næse, der kunne mærke eksplosive spor i luften, kemikalier til stede på overflader eller gasser, der indikerer, hvornår produkterne er modne.

Og en lignende tilgang kunne ændre sundhedsvæsenet. Hvis du kan overvåge gasser, der kommer ud i dit åndedræt, ville du så være i stand til at udlede en persons helbredstilstand? Du kunne - du har bare brug for den rigtige slags kemisk sensor, siger Bulović.

Den måde, vi ønsker at påvirke disse celler på, kontrollere dem, forbedre dem, helbrede dem, levere medicin: medicin på nanoskala er en enorm grænse. Det er den funktionelle skala for vores kroppes funktion.

At bygge et skib i en flaske

Opførelsen af ​​MIT.nano-bygningen repræsenterer en skræmmende ingeniørudfordring. Bygningens sted blev valgt, fordi det er udsat for langt mindre vibrationer fra trafik, undergrundsbaner og tog og langt mindre elektromagnetisk interferens end nogen af ​​de andre fire potentielle placeringer. Selv knapt mærkbare forstyrrelser af den art kunne ødelægge et eksperiment eller forvrænge et billede på nanoskala. Men placeringen er i hjertet af campus. Det gjorde det så svært at få lastbillæs med materialer ind eller ud, at det team, der var ansvarligt for projektet, sammenligner det med at bygge et skib i en flaske.

Vladimir Bulovic, MIT.nanos fakultetsleder og associeret dekan for innovation på School of Engineering, på byggepladsen.

En af utallige vanskelige opgaver var at støbe betonbasen til bygningens billedbehandlingsenheder i kælderplan. Der er en plade på fire millioner pund i kælderen, hvorpå de mest følsomme af instrumenterne vil sidde, forklarer Bulović. Den plade skulle hældes i en enkelt endagshældning. Hvordan leverer du fire millioner pund beton til et sted, når du kun har 90 minutter, fra betonen er batchet, til den er hældt – og den hærder 15 til 30 minutter efter levering? Du skal sørge for at have den helt rigtige timing. For at levere så meget har du brug for 90 cementlastbiler, og de skal alle sammen koordineres for at komme frem på det rigtige tidspunkt. Det tog omkring otte timers perfekt koordination. Jeg omtaler det som cementlastbilballetten.

I mellemtiden gav tre smalle åbninger mellem og under bygninger stedets eneste adgang for lastbiler og tungt udstyr inklusive kraner, siger Travis Wanat, projektets byggeleder. For at samle de mange stykker af to tårnkraner, som har været essentielle til at udvinde tusindvis af tons snavs og forsigtigt sænke hundredvis af tons stålbjælker og andre materialer i, havde vi brug for en mobilkran, og det var virkelig, virkelig stramt at få det ind på siden, husker Wanat. For at lade lastbilen med mobilkranen komme ind under broen mellem bygning 35 og 37, siger han, var vi på et tidspunkt nødt til at lukke en vis mængde luft ud af
dækkene.

MIT.nano-stedet (i orange) ligger inden for et stenkast fra Infinite Corridor, beliggende blandt bygninger, der huser afdelingerne for biologisk ingeniørvidenskab, fysik, nuklear videnskab og ingeniørvidenskab, og materialevidenskab og ingeniørvidenskab, og Research Lab for Electronics.

Og komplikationerne er langt fra ovre. Den næstmest udfordrende levering vil være luftbehandlingsenhederne og udstødningsenhederne, siger Wanat. Vi byggede en kopi i naturlig størrelse af det største stykke af hver enhed af PVC-rør, og satte den bag på en lastbil og kørte den gennem den vej, vi ville tage, for at sikre, at vi har de rigtige pladser. Det er bedre at gøre det med plastikrør end med en metalkasse!

Meget af det indre af denne bygning vil være omkring 10.000 gange renere end almindelig rumluft – og opnår det, der er kendt som niveau 5-renlighed, hvilket betyder, at der er færre end 100 partikler større end en halv mikrometer i hver kubikfod af rummet. Til sammenligning har indendørs luft typisk en million sådanne partikler pr. kubikfod.

Den ekstreme renlighed er essentiel, for på omfanget af de nanopartikler, nanofilm og nanofibre, som forskerne vil studere, kan en støvpartikel ødelægge et helt eksperiment. At opnå det begynder under byggeprocessen. Arbejdere, der bygger de rene rum, skal følge strenge protokoller, når de kommer ind på arbejdspladsen. Det bliver behandlet, som om det var et forskningsrenrum, hvor der er træning for alle, der skal gå i det rum, siger Wanat. Afhængigt af hvilket renhedsniveau vi er på, bliver de nødt til at bære Tyvek-dragterne, støvlerne, handskerne, hårnettene, efterhånden som vi går gennem faserne af dette projekt.

Et nyt vejkryds for campus

Fordi nanoteknologi er i skæringspunktet mellem biologi, kemi, elektronik, fysik og teknik (blandt mange andre discipliner), var det et tilfældigt tilfælde, at den mest støjsvage placering på campus med hensyn til vibrationer viste sig at være tæt på centrum af campus. godt. Så teamet, der planlagde bygningen, havde til formål at skabe et rum, der vil tilskynde til samarbejde og fred.

Bulović siger, at på trods af sine mange barrierer mod udefrakommende støv og vibrationer, vil rummet være meget åbent. Det skal være et indesluttet miljø, men hvorfor ikke sætte vinduer overalt, så du kan kigge ind og se, hvad der sker derinde? han siger.

Faktisk vil bygningen være bemærkelsesværdig porøs visuelt, på steder, hvor lyset kan skinne hele vejen igennem fra den ene side og ud af den anden. Dens udvendige vægge, som vil blive færdiggjort til efteråret, er stort set lavet af glas, ligesom mange af de indvendige vægge i laboratorierne og renrumsrummet. Besøgende vil være i stand til at gå langs brede korridorer på hvert niveau, der vil have udsigt over gården og bygninger udenfor, inklusive Great Dome - og de vil være i stand til at se forskere i fuld beskyttende overtræksdragt, hætter, beskyttelsesbriller og støvler, mens de udføre deres eksperimenter.

Inden for selve renrummet ville vi have visuel kommunikation fra den ene ende til den anden, siger Bulović. Så vi har lange korridorer, der er optisk uhindrede. Væggene og bugterne og jagterne er gennemsigtige. Du kan kigge ind og se maskineriet, og personen i den næste bugt og den næste bugt.

Han forestiller sig MIT.nano som et sted, der letter tilfældige møder, snarere end blot et sted, hvor folk kommer for at bruge værktøjerne, som de ville i et typisk maskinværksted. Det skal være et sted, der giver dig mulighed for at sætte gang i en samtale, giver dig mulighed for at have et sted at træde til side fra værktøjet og gå hen til en tavle – eller en magnettavle, for vi vil ikke have støv – og skitsere det næste. idé, siger han. Vi har fællesarealer, der sørger for de tilfældige møder.

Når først anlægget åbner i juni 2018, kan det tage yderligere to til tre år at fylde hele dens plads med fabrikations- og billedværktøjer, siger Bulović, selvom grundlæggende former for udstyr burde være tilgængeligt meget tidligere. Og denne forsinkelse er designet: For at sikre, at MIT.nano vil give forskere adgang til værktøjer, der er virkelig state-of-the-art inden for et felt, der udvikler sig hurtigt, vil de endelige valg af udstyr ikke blive truffet før den nye bygningen er klar – og indtil finansieringen er på plads til disse enheder. I sidste ende forventes laboratorierne at rumme et udvalg af enheder, der ikke kun vil tillade nanoskala-billeddannelse, vakuumaflejring og biologisk analyse, men også sådanne aktiviteter som fremstilling og samling af nano-enheder, design og test af chips og fremstilling af todimensionelle materialer og nanofibre. Nogle af disse enheder eksisterer ikke engang endnu. Potentielle brugere af anlægget er allerede inviteret at foreslå værktøjer, de gerne vil have til rådighed; indledende valg baseret på input fra fællesskabet begynder næste år.

I mellemtiden tager ydervæggene hurtigt deres endelige form. Og med den skal snart helt på plads, vil konstruktionen af ​​MIT.nano ikke længere være helt så meget af en tilskuersport, som processen har været i de sidste to år. Men det vil ikke være helt ude af syne, siger Wanat: Vi søger at sætte time-lapse-kameraer op i hjørnerne. Så når vi først har fået ydervæggene op, vil der forhåbentlig stadig være nogle udsigter inde i bygningen, som vi kan projicere til samfundet, mens vi går.

skjule