Nästa stora sak på MIT kommer att bli väldigt, väldigt liten

Officiellt är det känt som MIT.nano. Men personerna som är involverade i byggnadens konstruktion kallar det gärna The Machine.

Det är ett passande namn för den anmärkningsvärda nya anläggningen som tar form inom spottavstånd från Infinite Corridor. Byggnaden är designad för att inrymma två våningar med renrumsutrymme utrustad med världens mest avancerade verktyg för forskning i nanoskala, och kommer verkligen att bli en sorts högteknologisk maskin som surrande med luftbehandlingsutrustning och hundratals sensorer som ständigt övervakar varje aspekt av miljö.

Alla som tittar ut genom fönstren längs Infinite har sett ett dramatiskt år av framsteg på MIT.nano-platsen, som ligger intill MIT:s Building 10 med sin Great Dome. Det som började som ett mycket stort hål i marken har vuxit fram en stålram med ytterväggar av glas och betong mestadels på plats. Till sommaren 2018 kommer forskning om strukturer i skala av atomer och molekyler att börja äga rum inne i anläggningen, vars konstruktion är ett av de största, mest ambitiösa och mest utmanande byggprojekt som någonsin genomförts vid MIT.

MIT.nanos överbyggnad i början av mars 2016.

När det är färdigt kommer detta troligen att vara den mest komplexa byggnaden på campus, säger Vladimir Bulović, MIT.nanos fakultetsledare. Dess system är mycket integrerade och utsökt inställda, som de skulle vara i en komplex, magnifik maskin.

Dessa system kommer att upprätthålla den extremt orörda miljön som krävs för att undersöka nanoteknik. Om några år från nu kan någon som går förbi byggnaden med glasväggar se en forskare som arbetar på någon ny enhet som kommer att revolutionera tillverkningen av läkemedel, reningen av vatten eller lagringen av elektrisk kraft.

En del av en mikroelektromekaniskt system (MEMS) enhet som MIT:s Microsystems Technology Laboratories producerade på en stationär tillverkningsenhet.

Målet med MIT.nano är att innehålla alla banbrytande verktyg i nanoskala som skulle kunna främja teknik och vetenskap, säger Bulović, som är Fariborz Maseeh-professorn i Emerging Technology och biträdande dekan för innovation vid School of Engineering. Det låter dig manipulera allt från enskilda atomer till handhållna föremål. Det kommer att tillhandahålla ett sätt att göra [allt från] upptäckter i atomskala till upptäckter i mikronskala till millimeterskala till handhållen storlek. Vi kommer att kunna manipulera materia i en skala som du inte kan göra någon annanstans på campus.

Idag måste forskare som behöver använda renrum och specialiserade verktyg för arbete med nanoteknik, som finns på flera våningar i byggnad 39, gå långt för att undvika att kontaminera sina prover – och måste fortsätta att byta in och ut ur renrumskläder – när de bär sina enheter och pågående arbete från ett sådant rum till ett annat. Och efterfrågan på nödvändig utrustning är så stor att vissa MIT-forskare har varit tvungna att göra en del av sitt arbete vid Harvard.

En film i nanoskala utvecklad av Paula Hammond '84, PhD '93, och Bryan Hsu, PhD '14, kan användas för att leverera medicin genom direktinjektion eller genom att belägga implanterbar medicinsk utrustning.

MIT.nano kommer att mer än fördubbla institutets delade utrymme för forskning i nanoskala, vilket gör centralt belägen, toppmodern utrustning lättillgänglig för alla som behöver den. Se det som ett extremt skaparutrymme, säger Bulović.

Att skjuta runt atomer

Vi har vetat i många, många år att saker spelar roll nere på nanoskala, säger Bulović. Men under lång tid hade vi inte en chans att verkligen ta en titt. Sedan, 1981, uppfann forskare vid IBM det skanande tunnelmikroskopet, det första verktyget som kunde se enskilda atomer. Och det, säger han, förde oss närmare en uppfattning om varför nanoskalan gör som den gör.

Många av de saker vi upplever eller använder i det dagliga livet är baserade på nanoteknik, men vi uppskattar inte riktigt det, säger Bulović. Tvättmedlen ger en ljusare än vit lyster från rena kläder eftersom de använder fosfor i nanoskala. Allt du luktar är doftmolekyler som råkar vara en nanometer stora - din näsa har nanoskala detektorer för att känna av den lukten. Våra smaklökar känner av egenskaper i nanoskala och mikroskala i vår mat – det är det som ger oss smakkänslan. Varför känns den keramiska plattan kallare än trägolvet, när båda i själva verket har samma temperatur? Det är atomernas fastsättning i nanoskala och hur de leder värme bort från din kropp som är annorlunda.

En yta utvecklad av MIT och saudiska ingenjörer är belagd med en ferrofluid i nanoskala för att möjliggöra magnetisk kontroll av vattendroppar och partiklar.

Sedan de fick förmågan att titta på atomer har forskare alltmer lärt sig hur man manipulerar och skapar strukturer i den skalan. Nu ligger nanoteknik – tillverkning eller manipulering av material där minst en av de tre dimensionerna mäts i nanometer (miljarddelar av en meter) – i framkant av ett häpnadsväckande arbete. Det används för att utveckla nya typer av system för läkemedelstillverkning och läkemedelsleverans, radikalt nya material för att fånga upp solenergi, högeffektiva sätt att rena vatten, biokompatibla fibrer som kan leverera både stimuli och mediciner samtidigt som det returnerar data om kroppens svar, robotenheter kapabla att manipulera molekyler, strukturerade nanomaterial som kan släppa lös kraften i kvantberäkningar och mycket mer.

Nanoteknik är till sin natur multidisciplinär. Faktum är att den typ av forskning som kommer att utföras i rena rum, bildbehandlingsanläggningar och prototyptillverkningsutrymmen på MIT.nano kan få djupgående effekter över en mängd vetenskapliga och tekniska områden så breda att uppskattningsvis 2 000 fakultetsmedlemmar, postdoktorer, och studenter förväntas använda anläggningen årligen. Bland nyanställda fakulteter kommer troligen mer än hälften på Naturvetenskapliga institutionen och två tredjedelar på Ingenjörshögskolan att dra nytta av det.

En återgivning av MIT.nano sett från Building 4.

Att ge forskare tillgång kan ge stora resultat. Till exempel, säger Bulović, går världen nu mestadels på elektricitet, men dess produktion och användning kan vara mycket ineffektiv - och nanoteknik kan ge förbättringar på många områden, inklusive solceller. Det finns några alternativ som kommer fram som skulle kunna omdefiniera hur solceller fungerar, eftersom du kan börja använda nanoskalastrukturen av material, eller kvantprickar, för att generera solceller som är tunnare, lättare, mer utplacerbara än någon tidigare solteknik, och som ett resultat mer skalbart, säger han. Det skulle vara en game changer.

Nanoteknik kan också hjälpa till att avvärja en hotande kris i energianvändningen för datorer. Cloud computing idag förbrukar kanske 3 eller 4 procent av den elektricitet som används över hela världen, säger Bulović, men det växer snabbt: Det finns en prognose att vi kommer att behöva tusen gånger mer molnberäkning om ett decennium från nu. Med nya chips baserade på nanoteknik kan enorma effektivitetssteg undvika den resulterande kraftkrisen.

MIT-ingenjörer designade ett atomkraftmikroskop som fångar bilder av strukturer så små som en bråkdel av en nanometer 2 000 gånger snabbare än kommersiella modeller.

Nya möjligheter inom nanosensing lovar också mycket. Forskare inklusive Timothy Swager arbetar på en multifunktionell elektronisk näsa som kan känna av explosiva spår i luften, kemikalier som finns på ytor eller gaser som indikerar när produkten är mogen.

Och ett liknande tillvägagångssätt skulle kunna förändra hälso- och sjukvården. Om du kan övervaka gaser som kommer ut i ditt andetag, skulle du kunna härleda en individs hälsotillstånd? Du kan - du behöver bara rätt typ av kemisk sensor, säger Bulović.

Hur vi vill påverka dessa celler, kontrollera dem, förbättra dem, bota dem, leverera mediciner: medicin i nanoskala är en enorm gräns. Det är den funktionella skalan för hur våra kroppar fungerar.

Att bygga ett skepp i en flaska

Att bygga MIT.nano-byggnaden är en skrämmande ingenjörsutmaning. Byggnadens plats valdes för att den utsätts för mycket mindre vibrationer från trafik, tunnelbanor och tåg, och mycket mindre elektromagnetiska störningar, än någon av de andra fyra potentiella platserna. Även knappt märkbara störningar av den karaktären kunde förstöra ett experiment eller förvränga en bild i nanoskala. Men platsen är i hjärtat av campus. Det gjorde att det var så svårt att få in eller ut lastbilar med material att teamet som ansvarade för projektet liknar det med att bygga ett skepp på flaska.

Vladimir Bulovic, MIT.nanos fakultetschef och biträdande dekanus för innovation vid Tekniska Högskolan, på byggarbetsplatsen.

En av otaliga knepiga uppgifter var att gjuta betongbasen för byggnadens bildapparater på källarplan. Det finns en platta på fyra miljoner pund i källaren, där de känsligaste av instrumenten kommer att sitta, förklarar Bulović. Den plattan behövde hällas i en enda dagstur. Hur levererar du fyra miljoner pund betong till en plats, när du bara har 90 minuter på dig från det att betongen satsas tills den gjuts – och den härdar 15 till 30 minuter efter leverans? Du måste se till att du har exakt rätt timing. För att leverera så mycket behöver du 90 cementbilar, och alla måste koordineras för att komma fram i rätt ögonblick. Det tog ungefär åtta timmar av perfekt koordination. Jag kallar det för cementbilsbalett.

Samtidigt gav tre smala öppningar mellan och under byggnader platsens enda åtkomst för lastbilar och tung utrustning inklusive kranar, säger Travis Wanat, projektets byggledare. För att montera de många delarna av två tornkranar, som har varit avgörande för att få ut tusentals ton smuts och försiktigt sänka ner hundratals ton stålbalkar och andra material, behövde vi en mobilkran, och det var riktigt, riktigt snävt att få det in på sajten, minns Wanat. För att lastbilen som transporterade mobilkranen skulle komma in under bron mellan byggnaderna 35 och 37, säger han, var vi vid ett tillfälle tvungna att släppa ut en viss mängd luft.
däcken.

MIT.nano-webbplatsen (i orange) ligger inom ett stenkast från den oändliga korridoren, inbäddad bland byggnader som rymmer avdelningarna för biologisk teknik, fysik, kärnvetenskap och ingenjörsvetenskap, och materialvetenskap och ingenjörsteknik, och forskningslabbet för elektronik.

Och komplikationerna är långt ifrån över. Den näst mest utmanande leveransen kommer att vara luftbehandlingsenheterna och avgasenheterna, säger Wanat. Vi byggde en kopia i naturlig storlek av den största delen av varje enhet av PVC-rör och satte den på baksidan av en lastbil och körde den genom vägen som vi skulle ta, för att se till att vi har rätt utrymmen. Bättre att göra det med plaströr än med en metalllåda!

Mycket av interiören i den här byggnaden kommer att vara cirka 10 000 gånger renare än vanlig rumsluft – vilket uppnår vad som kallas nivå 5-renhet, vilket innebär att det finns färre än 100 partiklar större än en halv mikrometer i varje kubikfot utrymme. Som jämförelse har inomhusluften vanligtvis en miljon sådana partiklar per kubikfot.

Den extrema renheten är viktig, för i omfattningen av de nanopartiklar, nanofilmer och nanofibrer som forskare kommer att studera, kan en partikel av damm förstöra ett helt experiment. Att uppnå det börjar under byggprocessen. Arbetare som bygger rena rum måste följa strikta protokoll när de går in på arbetsplatsen. Det behandlas som om det var ett forskningsrum, där det finns utbildning för alla som måste gå i det rummet, säger Wanat. Beroende på vilken nivå [av renlighet] vi befinner oss på, måste de bära Tyvek-dräkterna, tossorna, handskarna, hårnäten, när vi går igenom stadierna i det projektet.

Ett nytt vägskäl för campus

Eftersom nanoteknik befinner sig i skärningspunkten mellan biologi, kemi, elektronik, fysik och ingenjörsvetenskap (bland många andra discipliner), var det en tillfällig slump att den tystaste platsen på campus när det gäller vibrationer visade sig vara nära campus centrum. väl. Så teamet som planerade byggnaden syftade till att skapa ett utrymme som kommer att uppmuntra samarbete och lugn.

Bulović säger att trots sina många barriärer mot yttre damm och vibrationer kommer utrymmet att vara väldigt öppet. Det måste vara en innesluten miljö, men varför inte sätta fönster överallt, så att du kan titta in och se vad som händer där inne? han säger.

Faktum är att byggnaden kommer att vara anmärkningsvärt porös visuellt, på platser som låter ljuset skina hela vägen genom från ena sidan och ut den andra. Dess ytterväggar, som kommer att färdigställas i höst, är till stor del gjorda av glas, liksom många av innerväggarna i labb och renrum. Besökare kommer att kunna gå längs breda korridorer på varje nivå som kommer att ha utsikt över gården och byggnaderna utanför, inklusive den stora kupolen - och de kommer att kunna se forskare i fullständiga skyddsoveraller, huvor, skyddsglasögon och tossor när de genomföra sina experiment.

Inom själva rena rummet ville vi ha visuell kommunikation från ena änden till den andra, säger Bulović. Så vi har långa korridorer som är optiskt obehindrade. Väggarna och bukterna och chases är genomskinliga. Du kan titta in och se maskineriet, och personen i nästa vik och nästa vik.

Han föreställer sig MIT.nano som en plats som underlättar oavsiktliga möten, snarare än bara en plats där människor kommer för att använda verktygen som de skulle göra i en typisk maskinverkstad. Det måste vara en plats som låter dig väcka en konversation, låter dig ha en plats att gå åt sidan från verktyget och gå till en whiteboardtavla – eller en magnetisk tavla, för vi vill inte ha damm – och skissa på nästa idé, säger han. Vi har gemensamma utrymmen som ger dessa slumpmässiga möten.

När anläggningen väl öppnar i juni 2018 kan det ta ytterligare två till tre år att fylla hela sitt utrymme med tillverknings- och bildverktyg, säger Bulović, även om grundläggande typer av utrustning borde vara tillgängliga mycket tidigare. Och den fördröjningen är designad: för att säkerställa att MIT.nano kommer att ge forskare tillgång till verktyg som verkligen är toppmoderna inom ett område som går snabbt framåt, kommer de slutliga valen av utrustning inte att göras förrän den nya byggnaden är klar – och tills finansieringen är på plats för dessa enheter. I slutändan förväntas labben inrymma en mängd enheter som inte bara kommer att tillåta nanoskala, vakuumdeponering och biologisk analys, utan även sådana aktiviteter som tillverkning och montering av nanoenheter, design och testning av chips och tillverkning av tvådimensionella material och nanofibrer. Vissa av dessa enheter finns inte ens ännu. Det finns redan potentiella användare av anläggningen inbjudna att föreslå verktyg de vill ha tillgängliga; De första urvalen baserat på gemenskapsinsatser kommer att börja nästa år.

Samtidigt tar ytterväggarna snabbt sin slutliga form. Och med det skalet som snart är helt på plats kommer konstruktionen av MIT.nano inte längre att vara en riktigt lika stor publiksport som processen har varit de senaste två åren. Men det kommer inte att vara helt utom synhåll, säger Wanat: Vi vill sätta upp time-lapse-kameror i hörnen. Så förhoppningsvis när vi väl fått upp ytterväggarna kommer det fortfarande att finnas några vyer inuti byggnaden som vi kan projicera till samhället allt eftersom.

Dölj