Das nächste große Ding am MIT wird sehr, sehr klein sein

Offiziell heißt es MIT.nano. Aber die Leute, die am Bau des Gebäudes beteiligt waren, nennen es gerne „Die Maschine“.

Es ist ein passender Name für die bemerkenswerte neue Einrichtung, die in unmittelbarer Nähe des Infinite Corridor Gestalt annimmt. Das Gebäude, das für die Unterbringung von zwei Stockwerken mit Reinraumflächen ausgelegt ist, die mit den weltweit fortschrittlichsten Werkzeugen für die Nanoforschung ausgestattet sind, wird in der Tat eine Art Hightech-Maschine sein, die mit Luftbehandlungsgeräten und Hunderten von Sensoren brummt, die ständig jeden Aspekt des Umgebung.

Jeder, der aus den Fenstern entlang des Infinite blickt, hat am MIT.nano-Standort, der neben dem MIT-Gebäude 10 mit seinem Great Dome liegt, ein dramatisches Jahr des Fortschritts gesehen. Was als ein sehr großes Loch im Boden begann, hat einen Stahlrahmen mit größtenteils vorhandenen Glas- und Betonaußenwänden hervorgebracht. Bis zum Sommer 2018 wird die Erforschung von Strukturen auf der Ebene von Atomen und Molekülen in der Anlage beginnen, deren Bau eines der größten, ehrgeizigsten und herausforderndsten Bauprojekte ist, die jemals am MIT durchgeführt wurden.

Aufbau von MIT.nano, Stand Anfang März 2016.

Nach seiner Fertigstellung wird dies wahrscheinlich das komplexeste Gebäude auf dem Campus sein, sagt Vladimir Bulović, Fakultätsleiter von MIT.nano. Seine Systeme sind hochintegriert und exquisit abgestimmt, wie sie es in einer komplexen, großartigen Maschine wären.

Diese Systeme werden die ultrareine Umgebung aufrechterhalten, die für die Erforschung der Nanotechnologie erforderlich ist. In ein paar Jahren kann jemand, der an dem gläsernen Gebäude vorbeigeht, Zeuge eines Forschers werden, der an einem neuen Gerät arbeitet, das die Herstellung von Arzneimitteln, die Reinigung von Wasser oder die Speicherung von elektrischer Energie revolutionieren wird.

Teil eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), das die Microsystems Technology Laboratories des MIT auf einem Desktop-Fertigungsgerät hergestellt haben.

Das Ziel von MIT.nano ist es, jedes hochmoderne Werkzeug im Nanomaßstab zu enthalten, das Technologie und Wissenschaft voranbringen könnte, sagt Bulović, der Fariborz-Maseeh-Professor für neue Technologien und stellvertretender Dekan für Innovation an der School of Engineering ist. Es ermöglicht Ihnen, alles zu manipulieren, von einzelnen Atomen bis hin zu handgehaltenen Objekten. Es wird eine Möglichkeit bieten, [alles] zu machen, von Entdeckungen im atomaren Maßstab über Entdeckungen im Mikrometerbereich bis hin zu Entdeckungen im Millimeterbereich und in der Größe eines Handgeräts. Wir werden in der Lage sein, Materie in einem Ausmaß zu manipulieren, das Sie nirgendwo sonst auf dem Campus tun können.

Heutzutage müssen Forscher, die Reinräume und spezialisierte Werkzeuge für die Arbeit an der Nanotechnologie verwenden müssen, die auf mehreren Etagen des Gebäudes 39 untergebracht sind, große Anstrengungen unternehmen, um eine Kontamination ihrer Proben zu vermeiden – und müssen ständig Reinraumkleidung an- und ausziehen – während sie ihre Geräte und laufenden Arbeiten von einem Raum in einen anderen tragen. Und die Nachfrage nach der notwendigen Ausrüstung ist so groß, dass einige MIT-Forscher einen Teil ihrer Arbeit in Harvard erledigen mussten.

Ein nanoskaliger Film, der von Paula Hammond ’84, PhD ’93, und Bryan Hsu, PhD ’14, entwickelt wurde, kann verwendet werden, um Medikamente durch direkte Injektion oder durch Beschichten implantierbarer medizinischer Geräte zu verabreichen.

MIT.nano wird den gemeinsam genutzten Raum des Instituts für Nanoforschung mehr als verdoppeln und zentral gelegene, hochmoderne Geräte für alle, die sie benötigen, leicht zugänglich machen. Betrachten Sie es als einen extremen Maker Space, sagt Bulović.

Atome herumschieben

Wir wissen seit vielen, vielen Jahren, dass Dinge im Nanomaßstab wichtig sind, sagt Bulović. Aber lange Zeit hatten wir keine Gelegenheit, uns wirklich umzusehen. Dann, 1981, erfanden Forscher bei IBM das Rastertunnelmikroskop, das erste Werkzeug, das einzelne Atome sehen konnte. Und das, sagt er, hat uns näher gebracht, zu verstehen, warum die Nanoskala tut, was sie tut.

Viele der Dinge, die wir im täglichen Leben erleben oder verwenden, basieren auf Nanotechnologie, aber das schätzen wir nicht wirklich, sagt Bulović. Die Waschmittel sorgen für den strahlenderen Glanz sauberer Kleidung, weil sie nanoskalige Leuchtstoffe verwenden. Alles, was Sie riechen, sind Geruchsmoleküle, die zufällig einen Nanometer groß sind – Ihre Nase hat nanoskalige Detektoren, um diesen Geruch wahrzunehmen. Unsere Geschmacksknospen spüren nanoskalige und mikroskalige Merkmale in unserer Nahrung – das gibt uns das Geschmacksempfinden. Warum fühlt sich die Keramikfliese kälter an als der Holzboden, obwohl beide die gleiche Temperatur haben? Es ist die atomare, nanoskalige Anlagerung der Atome und die Art und Weise, wie sie Wärme von Ihrem Körper wegleiten, die anders ist.

Eine von Ingenieuren des MIT und Saudi-Arabien entwickelte Oberfläche ist mit einem nanoskaligen Ferrofluid beschichtet, um eine magnetische Kontrolle von Wassertröpfchen und -partikeln zu ermöglichen.

Seit sie die Fähigkeit erlangt haben, Atome zu betrachten, haben Forscher zunehmend gelernt, Strukturen dieser Größenordnung zu manipulieren und zu erzeugen. Jetzt steht die Nanotechnologie – die Herstellung oder Bearbeitung von Materialien, bei denen mindestens eine der drei Dimensionen in Nanometern (Milliardstel Meter) gemessen wird – an der Spitze einer erstaunlichen Bandbreite von Arbeiten. Es wird verwendet, um neuartige Systeme für die pharmazeutische Herstellung und Arzneimittelabgabe zu entwickeln, radikal neue Materialien zum Einfangen von Sonnenenergie, hocheffiziente Methoden zur Wasserreinigung, biokompatible Fasern, die sowohl Reize als auch Medikamente abgeben und gleichzeitig Daten über die Reaktionen des Körpers liefern können, Robotergeräte in der Lage, Moleküle, strukturierte Nanomaterialien zu manipulieren, die die Kraft der Quantencomputer entfesseln können, und vieles mehr.

Die Nanotechnologie ist von Natur aus multidisziplinär. In der Tat könnten die Arten von Forschung, die in den Reinräumen, Bildgebungseinrichtungen und Prototypenfertigungsräumen am MIT.nano durchgeführt werden, tiefgreifende Auswirkungen auf eine Reihe von wissenschaftlichen und technischen Bereichen haben, die so breit gefächert sind, dass schätzungsweise 2.000 Fakultätsmitglieder, Postdocs, und von Studenten wird erwartet, dass sie die Einrichtung jährlich nutzen. Unter den neu angestellten Lehrkräften werden wahrscheinlich mehr als die Hälfte an der School of Science und zwei Drittel an der School of Engineering davon profitieren.

Eine Darstellung von MIT.nano von Gebäude 4 aus gesehen.

Forschern diesen Zugang zu gewähren, könnte zu großen Ergebnissen führen. Zum Beispiel, sagt Bulović, läuft die Welt heute hauptsächlich mit Strom, aber seine Produktion und Nutzung kann sehr ineffizient sein – und die Nanotechnologie könnte Verbesserungen in vielen Bereichen bringen, einschließlich der Photovoltaik. Es gibt einige Optionen, die die Leistung von Solarzellen neu definieren könnten, da Sie damit beginnen können, die nanoskalige Struktur von Materialien oder Quantenpunkten zu nutzen, um Solarzellen zu erzeugen, die dünner, leichter und besser einsetzbar sind als jede frühere Solartechnologie und so weiter ein besser skalierbares Ergebnis, sagt er. Das wäre ein Game Changer.

Die Nanotechnologie könnte auch dazu beitragen, eine drohende Krise beim Energieverbrauch für Computer abzuwenden. Cloud Computing verbraucht heute vielleicht 3 oder 4 Prozent des weltweit verbrauchten Stroms, sagt Bulović, aber das wächst schnell: Es gibt Prognosen, dass wir in einem Jahrzehnt tausendfach mehr Cloud Computing benötigen werden. Mit neuen Chips auf Basis der Nanotechnologie könnten gewaltige Effizienzsprünge die daraus resultierende Stromknappheit vermeiden.

MIT-Ingenieure haben ein Rasterkraftmikroskop entwickelt, das Bilder von Strukturen mit einer Größe von nur einem Bruchteil eines Nanometers 2.000-mal schneller aufnimmt als kommerzielle Modelle.

Neue Möglichkeiten in der Nanosensorik sind ebenfalls vielversprechend. Forscher wie Timothy Swager arbeiten an einer multifunktionalen elektronischen Nase, die explosive Spuren in der Luft, auf Oberflächen vorhandene Chemikalien oder Gase erkennen könnte, die anzeigen, wann Produkte reif sind.

Und ein ähnlicher Ansatz könnte die Gesundheitsversorgung verändern. Wenn Sie Gase überwachen könnten, die in Ihrem Atem austreten, wären Sie dann in der Lage, auf den Gesundheitszustand einer Person zu schließen? Sie könnten – Sie brauchen nur die richtige Art von chemischem Sensor, sagt Bulović.

Die Art und Weise, wie wir diese Zellen beeinflussen, kontrollieren, verbessern, heilen, Medikamente liefern wollen: Die Nanomedizin ist eine enorme Grenze. Es ist die Funktionsskala der Funktionsweise unseres Körpers.

Ein Schiff in einer Flasche bauen

Der Bau des MIT.nano-Gebäudes ist eine gewaltige technische Herausforderung. Der Standort des Gebäudes wurde gewählt, weil er viel weniger Vibrationen durch Verkehr, U-Bahnen und Züge und viel weniger elektromagnetischen Störungen ausgesetzt ist als jeder der anderen vier potenziellen Standorte. Selbst kaum wahrnehmbare Störungen dieser Art könnten ein Experiment zunichte machen oder ein Bild im Nanomaßstab verzerren. Aber die Lage ist im Herzen des Campus. Das machte es so schwierig, LKW-Ladungen mit Materialien ein- oder auszuladen, dass das für das Projekt verantwortliche Team es mit dem Bau eines Schiffs in einer Flasche vergleicht.

Vladimir Bulovic, Fakultätsleiter von MIT.nano und stellvertretender Dekan für Innovation an der School of Engineering, auf der Baustelle.

Eine von unzähligen kniffligen Aufgaben war das Gießen des Betonsockels für die bildgebenden Geräte des Gebäudes im Untergeschoss. Im Keller befindet sich eine vier Millionen Pfund schwere Platte, auf der die empfindlichsten Instrumente stehen werden, erklärt Bulović. Diese Platte musste in einem einzigen eintägigen Guss gegossen werden. Wie liefert man vier Millionen Pfund Beton an eine Baustelle, wenn man nur 90 Minuten von der Dosierung bis zum Gießen des Betons hat – und er härtet 15 bis 30 Minuten nach der Lieferung aus? Sie müssen sicherstellen, dass Sie genau das richtige Timing haben. Um so viel zu liefern, braucht man 90 Zement-Lkw, die alle so koordiniert werden müssen, dass sie genau im richtigen Moment ankommen. Es dauerte ungefähr acht Stunden perfekter Koordination. Ich bezeichne es als das Zementlaster-Ballett.

Drei schmale Öffnungen zwischen und unter Gebäuden boten derweil den einzigen Zugang zum Gelände für Lastwagen und schweres Gerät einschließlich Kränen, sagt Travis Wanat, der Bauleiter des Projekts. Um die vielen Teile von zwei Turmdrehkranen zusammenzubauen, die für das Herausziehen von Tausenden Tonnen Schmutz und das sanfte Absenken von Hunderten Tonnen Stahlträgern und anderen Materialien unerlässlich waren, brauchten wir einen Mobilkran, und das war wirklich sehr, sehr knapp in die Website, erinnert sich Wanat. Damit der LKW mit dem Mobilkran unter der Brücke zwischen Gebäude 35 und 37 hindurchfahren konnte, sagt er, mussten wir an einer Stelle etwas Luft ablassen
Die Reifen.

Der MIT.nano-Standort (in Orange) liegt nur einen Steinwurf vom Infinite Corridor entfernt, eingebettet zwischen Gebäuden, in denen die Abteilungen für Bioingenieurwesen, Physik, Nuklearwissenschaften und -technik, Materialwissenschaften und -technik sowie das Forschungslabor für Elektronik untergebracht sind.

Und die Komplikationen sind noch lange nicht vorbei. Die nächste schwierigste Lieferung werden die Lüftungsgeräte und Abluftgeräte sein, sagt Wanat. Wir bauten eine lebensgroße Nachbildung des größten Stücks jeder Einheit aus PVC-Rohren, stellten es auf die Ladefläche eines Lastwagens und fuhren es durch den Weg, den wir nehmen würden, um sicherzustellen, dass wir die richtigen Abstände haben. Besser mit einem Plastikrohr als mit einer Metallbox!

Ein Großteil des Innenraums dieses Gebäudes wird etwa 10.000-mal sauberer sein als die normale Raumluft – und damit die sogenannte Reinheitsstufe 5 erreichen, was bedeutet, dass weniger als 100 Partikel, die größer als ein halber Mikrometer sind, in jedem Kubikfuß Platz vorhanden sind. Im Vergleich dazu enthält die Raumluft typischerweise eine Million solcher Partikel pro Kubikfuß.

Diese extreme Sauberkeit ist unerlässlich, denn in der Größenordnung der Nanopartikel, Nanofilme und Nanofasern, die Forscher untersuchen werden, könnte ein Staubpartikel ein ganzes Experiment ruinieren. Ihre Umsetzung beginnt bereits während des Bauprozesses. Arbeiter, die die Reinräume bauen, müssen strenge Protokolle befolgen, wenn sie die Baustelle betreten. Es wird behandelt, als wäre es ein Reinraum für die Forschung, in dem es Schulungen für alle gibt, die diesen Raum betreten müssen, sagt Wanat. Je nachdem, auf welchem ​​Niveau [der Sauberkeit] wir uns befinden, müssen sie die Tyvek-Anzüge, die Stiefeletten, die Handschuhe, die Haarnetze tragen, während wir die Phasen dieses Projekts durchlaufen.

Eine neue Kreuzung für den Campus

Da sich die Nanotechnologie an der Schnittstelle von Biologie, Chemie, Elektronik, Physik und Ingenieurwissenschaften (neben vielen anderen Disziplinen) befindet, war es ein glücklicher Zufall, dass sich herausstellte, dass der in Bezug auf Vibrationen ruhigste Ort auf dem Campus in der Nähe des Campuszentrums liegt Gut. Daher wollte das Team, das das Gebäude plante, einen Raum schaffen, der Zusammenarbeit und glückliche Zufälle fördert.

Bulović sagt, dass der Raum trotz seiner vielen Barrieren gegen Staub und Vibrationen von außen sehr offen sein wird. Es muss eine geschlossene Umgebung sein, aber warum nicht überall Fenster anbringen, damit Sie hineinschauen und sehen können, was dort passiert? er sagt.

In der Tat wird das Gebäude optisch bemerkenswert porös sein und an manchen Stellen Licht von einer Seite durch und auf der anderen wieder herausscheinen lassen. Seine Außenwände, die im Herbst fertig gestellt werden, bestehen größtenteils aus Glas, ebenso viele Innenwände der Labore und Reinräume. Besucher können auf jeder Ebene durch breite Korridore gehen, die einen Blick auf den Innenhof und die Gebäude draußen haben, einschließlich des Great Dome – und sie können Forschern in vollständigen Schutzanzügen, Kapuzen, Schutzbrillen und Stiefeln dabei zusehen ihre Experimente durchführen.

Innerhalb des Reinraums selbst wollten wir eine visuelle Kommunikation von einem Ende zum anderen haben, sagt Bulović. So haben wir lange Korridore, die optisch ungehindert sind. Die Wände und Buchten und Jagden sind transparent. Sie können hineinschauen und die Maschinen und die Person in der nächsten Bucht und der nächsten Bucht sehen.

Er stellt sich MIT.nano als einen Ort vor, der zufällige Begegnungen ermöglicht, und nicht nur einen Ort, an dem Menschen kommen, um die Werkzeuge zu verwenden, wie sie es in einer typischen Maschinenwerkstatt tun würden. Es muss ein Ort sein, an dem Sie ein Gespräch anregen können, an dem Sie vom Werkzeug weggehen und zu einem Whiteboard – oder einer Magnettafel, weil wir keinen Staub wollen – gehen und das nächste skizzieren können Idee, sagt er. Wir haben gemeinsame Bereiche, die für diese zufälligen Begegnungen sorgen.

Nach der Eröffnung der Einrichtung im Juni 2018 könnte es weitere zwei bis drei Jahre dauern, bis der gesamte Raum mit Fertigungs- und Bildgebungswerkzeugen gefüllt ist, sagt Bulović, obwohl grundlegende Arten von Ausrüstung viel früher verfügbar sein sollten. Und diese Verzögerung ist beabsichtigt: Um sicherzustellen, dass MIT.nano Forschern Zugang zu Werkzeugen gibt, die wirklich auf dem neuesten Stand der Technik sind, in einem Bereich, der sich schnell entwickelt, wird die endgültige Auswahl der Ausrüstung erst mit dem neuen getroffen Gebäude fertig ist – und bis die Finanzierung für diese Geräte vorhanden ist. Letztendlich wird erwartet, dass die Labore eine Reihe von Geräten beherbergen, die nicht nur Bildgebung im Nanomaßstab, Vakuumabscheidung und biologische Analyse ermöglichen, sondern auch Aktivitäten wie die Herstellung und Montage von Nanogeräten, das Entwerfen und Testen von Chips und die Herstellung zweidimensionaler Materialien und Nanofasern. Manche dieser Geräte gibt es noch gar nicht. Potenzielle Nutzer der Anlage sind es bereits eingeladen um Tools vorzuschlagen, die sie gerne zur Verfügung haben würden; Die erste Auswahl auf der Grundlage von Beiträgen aus der Community wird nächstes Jahr beginnen.

Inzwischen nehmen die Außenmauern rasch ihre endgültige Form an. Und da diese Schale bald vollständig steht, wird der Bau von MIT.nano nicht mehr so ​​sehr ein Zuschauersport sein, wie es in den letzten zwei Jahren der Fall war. Aber es wird nicht ganz aus dem Blickfeld sein, sagt Wanat: Wir wollen Zeitrafferkameras in den Ecken aufstellen. Sobald wir also die Außenwände hochgezogen haben, wird es hoffentlich noch einige Ansichten im Inneren des Gebäudes geben, die wir im weiteren Verlauf auf die Gemeinde projizieren können.

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