Następna wielka rzecz w MIT będzie bardzo, bardzo mała

Oficjalnie jest znany jako MIT.nano. Ale ludzie zaangażowani w budowę budynku lubią nazywać go Maszyną.

To trafna nazwa niezwykłego nowego obiektu, który kształtuje się w odległości plucia od Nieskończonego Korytarza. Zaprojektowany tak, aby pomieścić dwa piętra pomieszczeń czystych wyposażonych w najbardziej zaawansowane na świecie narzędzia do badań w nanoskali, budynek będzie rzeczywiście czymś w rodzaju zaawansowanej technologicznie maszyny, szumiącej sprzętem do wentylacji i setkami czujników stale monitorujących każdy aspekt środowisko.

Każdy, kto patrzy przez okna wzdłuż Infinite, widział dramatyczny rok postępu w witrynie MIT.nano, która sąsiaduje z budynkiem 10 MIT z jego Great Dome. To, co zaczęło się jako bardzo duża dziura w ziemi, wyrosło na stalowej ramie ze szklanymi i betonowymi ścianami zewnętrznymi w większości na miejscu. Do lata 2018 r. w obiekcie rozpoczną się badania struktur na skalę atomów i molekuł, których budowa jest jednym z największych, najbardziej ambitnych i najtrudniejszych projektów budowlanych, jakie kiedykolwiek podjęto w MIT.

Nadbudowa MIT.nano na początku marca 2016 r.

Po ukończeniu będzie to prawdopodobnie najbardziej złożony budynek na kampusie, mówi Vladimir Bulović, kierownik wydziału MIT.nano. Jego systemy są wysoce zintegrowane i znakomicie dostrojone, jak w złożonej, wspaniałej maszynie.

Systemy te utrzymają niezwykle nieskazitelne środowisko wymagane do badania nanotechnologii. Za kilka lat ktoś przechodzący obok przeszklonego budynku może być świadkiem pracy naukowca nad nowym urządzeniem, które zrewolucjonizuje produkcję farmaceutyków, oczyszczanie wody czy magazynowanie energii elektrycznej.

Część urządzenia systemu mikroelektromechanicznego (MEMS), które Laboratoria Technologiczne MIT firmy MIT wyprodukowały na urządzeniu do produkcji biurka.

Celem MIT.nano jest uwzględnienie każdego najnowocześniejszego narzędzia w nanoskali, które może przyczynić się do rozwoju technologii i nauki, mówi Bulović, profesor Fariborz Maseeh w dziedzinie nowych technologii i prodziekan ds. innowacji w School of Engineering. Pozwoli ci manipulować wszystkim, od pojedynczych atomów po obiekty trzymane w ręku. Zapewni to sposób na dokonanie [wszystko] odkryć w skali atomowej, poprzez odkrycia w skali mikronowej, aż do skali milimetrowej, aż do rozmiarów ręcznych. Będziemy w stanie manipulować materią na skalę, której nie da się zrobić nigdzie indziej w kampusie.

Obecnie badacze, którzy muszą korzystać z pomieszczeń czystych i specjalistycznych narzędzi do pracy nad nanotechnologią, które znajdują się na wielu piętrach budynku 39, muszą dołożyć wszelkich starań, aby uniknąć zanieczyszczenia swoich próbek – i muszą stale przebierać się w ubrania z pomieszczeń czystych. — gdy przenoszą swoje urządzenia i pracują w toku z jednego takiego pokoju do drugiego. A zapotrzebowanie na niezbędny sprzęt jest tak duże, że niektórzy badacze z MIT musieli wykonać część swojej pracy na Harvardzie.

Folia nanoskalowa opracowana przez Paulę Hammond ’84, PhD ’93 i Bryana Hsu, PhD ’14, może być używana do dostarczania leków przez bezpośrednie wstrzyknięcie lub przez powlekanie wszczepialnych urządzeń medycznych.

MIT.nano ponad dwukrotnie zwiększy wspólną przestrzeń Instytutu do badań w nanoskali, dzięki czemu centralnie zlokalizowany, najnowocześniejszy sprzęt będzie łatwo dostępny dla wszystkich, którzy go potrzebują. Pomyśl o tym jako o ekstremalnej przestrzeni dla twórców, mówi Bulović.

Popychanie atomów dookoła

Od wielu, wielu lat wiemy, że rzeczy mają znaczenie w nanoskali, mówi Bulović. Ale przez długi czas nie mieliśmy okazji się przyjrzeć. Następnie, w 1981 r., naukowcy z IBM wynaleźli skaningowy mikroskop tunelowy, pierwsze narzędzie, które mogło zobaczyć pojedyncze atomy. A to, jak mówi, zbliżyło nas do zrozumienia, dlaczego nanoskala robi to, co robi.

Wiele rzeczy, których doświadczamy lub używamy w codziennym życiu, opiera się na nanotechnologii, ale tak naprawdę tego nie doceniamy, mówi Bulović. Detergenty zapewniają jaśniejszy niż biały blask czystych ubrań, ponieważ wykorzystują luminofory w nanoskali. Wszystko, co czujesz, to cząsteczki zapachu, które mają rozmiar jednego nanometra — twój nos ma detektory w nanoskali, które wyczuwają ten zapach. Nasze kubki smakowe wyczuwają nanoskalowe i mikroskalowe właściwości naszego jedzenia — to właśnie daje nam poczucie smaku. Dlaczego płytka ceramiczna jest zimniejsza niż podłoga drewniana, skoro w rzeczywistości obie mają tę samą temperaturę? Różni się to przywiązanie atomów w skali atomowej, nanoskali i sposób, w jaki odprowadzają ciepło z twojego ciała.

Powierzchnia opracowana przez inżynierów z MIT i Arabii Saudyjskiej jest pokryta ferrofluidem w nanoskali, aby umożliwić magnetyczną kontrolę kropelek i cząstek wody.

Odkąd zdobyli umiejętność patrzenia na atomy, naukowcy coraz częściej uczyli się manipulowania i tworzenia struktur na taką skalę. Obecnie nanotechnologia — wytwarzanie lub manipulowanie materiałami, w których co najmniej jeden z trzech wymiarów jest mierzony w nanometrach (miliardowych części metra) — stoi na czele oszałamiającego zakresu prac. Jest wykorzystywany do opracowywania nowych rodzajów systemów do produkcji farmaceutycznej i dostarczania leków, radykalnie nowych materiałów do przechwytywania energii słonecznej, wysoce wydajnych sposobów oczyszczania wody, biokompatybilnych włókien, które mogą dostarczać zarówno bodźce, jak i leki, jednocześnie zwracając dane o reakcjach organizmu, urządzenia robotyczne zdolne do manipulowania cząsteczkami, ustrukturyzowanymi nanomateriałami, które mogą uwolnić moc obliczeń kwantowych i wiele więcej.

Nanotechnologia ze swej natury jest multidyscyplinarna. Rzeczywiście, rodzaje badań, które będą prowadzone w pomieszczeniach czystych, urządzeniach do obrazowania i przestrzeniach produkcyjnych prototypów w MIT.nano, mogą mieć głęboki wpływ na wiele dziedzin naukowych i inżynieryjnych, tak szerokich, że szacuje się, że około 2000 członków wydziału, doktorów, a studenci powinni korzystać z obiektu corocznie. Spośród nowo mianowanych wydziałów prawdopodobnie skorzysta z tego ponad połowa w School of Science i dwie trzecie w School of Engineering.

Rendering MIT.nano widziany z budynku 4.

Zapewnienie naukowcom dostępu może przynieść duże rezultaty. Na przykład, mówi Bulović, świat jest obecnie zasilany głównie energią elektryczną, ale jej produkcja i wykorzystanie mogą być wysoce nieefektywne – a nanotechnologia może przynieść ulepszenia w wielu dziedzinach, w tym w fotowoltaice. Pojawiają się pewne opcje, które mogą na nowo zdefiniować sposób działania ogniw słonecznych, ponieważ można zacząć używać nanoskalowej struktury materiałów lub kropek kwantowych do generowania ogniw słonecznych, które są cieńsze, lżejsze, łatwiej rozmieszczane niż jakakolwiek poprzednia technologia słoneczna, a także wynik bardziej skalowalny, mówi. To byłby przełom w grze.

Nanotechnologia może również pomóc w uniknięciu nadchodzącego kryzysu w zużyciu energii przez komputery. Jak mówi Bulović, przetwarzanie w chmurze zużywa dziś około 3 lub 4 procent energii elektrycznej wykorzystywanej na całym świecie, ale liczba ta szybko rośnie: istnieje prognoza, że ​​za dziesięć lat będziemy potrzebować tysiąckrotnie więcej przetwarzania w chmurze. Dzięki nowym chipom opartym na nanotechnologii ogromne skoki wydajności mogą zapobiec wynikającemu z tego załamaniu mocy.

Inżynierowie MIT zaprojektowali mikroskop sił atomowych, który rejestruje obrazy struktur o wielkości nawet ułamka nanometra 2000 razy szybciej niż modele komercyjne.

Nowe możliwości w nanodetekcjach są również bardzo obiecujące. Naukowcy, w tym Timothy Swager, pracują nad wielofunkcyjnym elektronicznym nosem, który mógłby wykrywać ślady wybuchów w powietrzu, substancje chemiczne obecne na powierzchniach lub gazy wskazujące, kiedy produkt jest dojrzały.

I podobne podejście może zmienić opiekę zdrowotną. Gdybyś mógł monitorować gazy wydobywające się z oddechu, czy byłbyś w stanie wywnioskować stan zdrowia danej osoby? Mógłbyś… potrzebujesz tylko odpowiedniego rodzaju czujnika chemicznego, mówi Bulović.

Sposób, w jaki chcemy wpływać na te komórki, kontrolować je, ulepszać, leczyć, dostarczać leki: medycyna w nanoskali to ogromna granica. To funkcjonalna skala działania naszych ciał.

Budowanie statku w butelce

Budowa budynku MIT.nano to trudne wyzwanie inżynieryjne. Lokalizacja budynku została wybrana, ponieważ jest narażona na znacznie mniej wibracji pochodzących z ruchu ulicznego, metra i pociągów oraz znacznie mniej zakłóceń elektromagnetycznych niż którakolwiek z pozostałych czterech potencjalnych lokalizacji. Nawet ledwo dostrzegalne zakłócenia tego rodzaju mogą zniweczyć eksperyment lub zniekształcić obraz w nanoskali. Ale lokalizacja jest w samym sercu kampusu. To sprawiło, że wkładanie lub wyładowywanie ciężarówek materiałów było tak ciasne, że zespół odpowiedzialny za projekt porównuje to do budowania statku w butelce.

Vladimir Bulovic, kierownik wydziału MIT.nano i prodziekan ds. innowacji w School of Engineering na placu budowy.

Jednym z niezliczonych trudnych zadań było wylanie betonowej podstawy pod urządzenia obrazujące budynku na poziomie piwnicy. W piwnicy znajduje się ważąca cztery miliony funtów płyta, na której usiądzie najwrażliwszy z instrumentów, wyjaśnia Bulović. Ta płyta musiała zostać wylana w ciągu jednego dnia. Jak dostarczyć cztery miliony funtów betonu na plac budowy, kiedy od momentu dozowania betonu do wylania pozostało tylko 90 minut — a twardnieje od 15 do 30 minut po dostarczeniu? Musisz upewnić się, że masz dokładnie właściwy moment. Aby dostarczyć tak dużo, potrzebujesz 90 ciężarówek z cementem, a wszystkie muszą być skoordynowane, aby dotarły we właściwym momencie. Zajęło to około ośmiu godzin doskonałej koordynacji. Nazywam to baletem ciężarówki z cementem.

Tymczasem trzy wąskie otwory między budynkami i pod nimi zapewniały tylko dostęp do terenu dla ciężarówek i ciężkiego sprzętu, w tym dźwigów, mówi Travis Wanat, kierownik budowy projektu. Aby złożyć wiele elementów dwóch żurawi wieżowych, które były niezbędne do wydobywania tysięcy ton ziemi i delikatnego opuszczania setek ton stalowych belek i innych materiałów, potrzebowaliśmy żurawia samojezdnego, a to było naprawdę, bardzo ciasne. na stronę, wspomina Wanat. Mówi, że aby umożliwić ciężarówce przewożącej żuraw samojezdny kilka centymetrów pod mostem między budynkami 35 i 37, w pewnym momencie musieliśmy wypuścić pewną ilość powietrza z
opony.

Witryna MIT.nano (w kolorze pomarańczowym) znajduje się w odległości rzutu kamieniem od Nieskończonego Korytarza, położonego wśród budynków mieszczących wydziały inżynierii biologicznej, fizyki, nauki i inżynierii jądrowej, inżynierii materiałowej i laboratorium badawczego elektroniki.

A komplikacje jeszcze się nie skończyły. Kolejną najtrudniejszą dostawą będą centrale wentylacyjne i wyciągowe, mówi Wanat. Zbudowaliśmy naturalnej wielkości replikę największego kawałka każdej jednostki z rury PCV, umieściliśmy ją z tyłu ciężarówki i pojechaliśmy przez ścieżkę, którą byśmy wybrali, aby upewnić się, że mamy odpowiednie prześwity. Lepiej zrobić to z plastikową rurką niż z metalowym pudełkiem!

Większa część wnętrza tego budynku będzie około 10 000 razy czystsza niż zwykłe powietrze w pomieszczeniu — osiągając tak zwany poziom czystości 5, co oznacza, że ​​w każdej stopie sześciennej przestrzeni znajduje się mniej niż 100 cząsteczek większych niż pół mikrometra. Dla porównania, powietrze w pomieszczeniach zazwyczaj zawiera milion takich cząsteczek na stopę sześcienną.

Ta ekstremalna czystość jest niezbędna, ponieważ w skali nanocząstek, nanofilmów i nanowłókien, które będą badać naukowcy, jedna cząsteczka kurzu może zrujnować cały eksperyment. Osiągnięcie go zaczyna się już na etapie budowy. Pracownicy budujący czyste pokoje będą musieli przestrzegać ścisłych protokołów wchodząc na miejsce pracy. Jest traktowany tak, jakby był czystym pokojem badawczym, w którym odbywa się szkolenie dla wszystkich, którzy muszą tam wejść, mówi Wanat. W zależności od tego, na jakim poziomie [czystości] się znajdujemy, będą musieli nosić garnitury Tyvek, buty, rękawiczki, siatki na włosy, gdy przechodzimy przez kolejne etapy tego projektu.

Nowe skrzyżowanie dla kampusu

Ponieważ nanotechnologia znajduje się na pograniczu biologii, chemii, elektroniki, fizyki i inżynierii (wśród wielu innych dyscyplin), przypadkowym zbiegiem okoliczności okazało się, że najcichsza lokalizacja na kampusie pod względem wibracji okazała się blisko centrum kampusu, ponieważ dobrze. Tak więc zespół planujący budynek dążył do stworzenia przestrzeni, która będzie zachęcać do współpracy i zbiegu okoliczności.

Bulović mówi, że pomimo wielu barier chroniących przed kurzem i wibracjami z zewnątrz, przestrzeń będzie bardzo otwarta. Musi to być zamknięte środowisko, ale dlaczego nie umieścić wszędzie okien, aby móc zajrzeć do środka i zobaczyć, co się tam dzieje? on mówi.

Rzeczywiście, budynek będzie wizualnie wyjątkowo porowaty, w miejscach, w których światło będzie prześwitywać z jednej strony i na zewnątrz z drugiej. Jej ściany zewnętrzne, które zostaną ukończone jesienią tego roku, są w większości wykonane ze szkła, podobnie jak wiele wewnętrznych ścian laboratoriów i pomieszczeń czystych. Odwiedzający będą mogli chodzić szerokimi korytarzami na każdym poziomie, które będą miały widok na dziedziniec i budynki na zewnątrz, w tym Wielką Kopułę – i będą mogli obserwować naukowców w pełnych kombinezonach ochronnych, kapturach, goglach i butach, gdy będą przeprowadzają swoje eksperymenty.

W samym czystym pomieszczeniu chcieliśmy mieć komunikację wizualną od jednego końca do drugiego, mówi Bulović. Mamy więc długie korytarze, które nie są zakłócone optycznie. Ściany, wykusze i bruzdy są przezroczyste. Możesz zajrzeć do środka i zobaczyć maszynerię oraz osobę w sąsiedniej i następnej zatoce.

Wyobraża sobie MIT.nano jako miejsce sprzyjające przypadkowym spotkaniom, a nie tylko miejsce, w którym ludzie przychodzą po narzędzia jak w typowym warsztacie. Musi to być miejsce, które pozwoli ci rozpocząć rozmowę, pozwoli ci odsunąć się od narzędzia i podejść do tablicy — lub tablicy magnetycznej, ponieważ nie chcemy kurzu — i naszkicować następny pomysł, mówi. Mamy wspólne obszary, które zapewniają te przypadkowe spotkania.

Bulović mówi, że po otwarciu obiektu w czerwcu 2018 r. wypełnienie całej jego przestrzeni narzędziami do produkcji i obrazowania może zająć kolejne dwa do trzech lat, chociaż podstawowe rodzaje sprzętu powinny być dostępne znacznie wcześniej. Opóźnienie to jest zgodne z projektem: aby upewnić się, że MIT.nano zapewni naukowcom dostęp do narzędzi, które są naprawdę najnowocześniejsze w dziedzinie, która szybko się rozwija, ostateczny wybór sprzętu nie zostanie dokonany przed nowym budynek jest gotowy — i do czasu, gdy fundusze będą dostępne na te urządzenia. Docelowo laboratoria mają posiadać cały wachlarz urządzeń, które umożliwią nie tylko obrazowanie w nanoskali, osadzanie próżniowe i analizę biologiczną, ale także takie działania, jak wytwarzanie i montaż nanourządzeń, projektowanie i testowanie chipów oraz wytwarzanie materiałów dwuwymiarowych i nanowłókna. Niektóre z tych urządzeń jeszcze nie istnieją. Potencjalni użytkownicy obiektu już są zaproszony zasugerować narzędzia, które chcieliby mieć dostępne; wstępna selekcja oparta na wkładzie społeczności rozpocznie się w przyszłym roku.

Tymczasem zewnętrzne ściany szybko nabierają ostatecznego kształtu. A gdy ta powłoka wkrótce będzie w pełni gotowa, budowa MIT.nano nie będzie już tak bardzo widowiskowa, jak proces ten miał miejsce przez ostatnie dwa lata. Ale nie będzie całkowicie poza zasięgiem wzroku, mówi Wanat: Chcemy ustawić kamery poklatkowe w rogach. Miejmy więc nadzieję, że gdy już postawimy ściany zewnętrzne, wewnątrz budynku nadal będzie kilka widoków, które będziemy mogli wyświetlać społeczności w miarę postępów.

ukryć