La prossima grande cosa al MIT sarà molto, molto piccola

Ufficialmente, è conosciuto come MIT.nano. Ma le persone coinvolte nella costruzione dell'edificio lo chiamano The Machine.

È un nome appropriato per la straordinaria nuova struttura che sta prendendo forma a pochi passi dal Corridoio Infinito. Progettato per ospitare due piani di camere bianche dotate degli strumenti più avanzati al mondo per la ricerca su nanoscala, l'edificio sarà infatti una sorta di macchina high-tech, ronzante di apparecchiature per il trattamento dell'aria e centinaia di sensori che monitoreranno costantemente ogni aspetto della ambiente.

Chiunque guardi fuori dalle finestre lungo l'Infinito ha assistito a un anno drammatico di progressi nel sito MIT.nano, che è adiacente all'Edificio 10 del MIT con la sua Grande Cupola. Quello che era iniziato come un buco molto grande nel terreno ha fatto germogliare una struttura in acciaio con pareti esterne in vetro e cemento per lo più in posizione. Entro l'estate del 2018, la ricerca sulle strutture alla scala di atomi e molecole inizierà all'interno della struttura, la cui costruzione è uno dei progetti edilizi più grandi, ambiziosi e impegnativi mai intrapresi al MIT.

La sovrastruttura del MIT.nano a partire da inizio marzo 2016.

Una volta completato, questo sarà probabilmente l'edificio più complesso del campus, afferma Vladimir Bulović, capo della facoltà del MIT.nano. I suoi sistemi sono altamente integrati e squisitamente sintonizzati, come lo sarebbero in una macchina complessa e magnifica.

Questi sistemi manterranno l'ambiente ultra incontaminato necessario per studiare la nanotecnologia. Tra qualche anno qualcuno che passerà accanto all'edificio con le pareti di vetro potrebbe assistere a un ricercatore che lavora a un nuovo dispositivo che rivoluzionerà la produzione di farmaci, la purificazione dell'acqua o l'accumulo di energia elettrica.

Parte di un dispositivo del sistema microelettromeccanico (MEMS) che i Microsystems Technology Laboratories del MIT hanno prodotto su un dispositivo di fabbricazione desktop.

L'obiettivo di MIT.nano è quello di contenere ogni strumento all'avanguardia su nanoscala che potrebbe far progredire la tecnologia e la scienza, afferma Bulović, che è il Professore di Tecnologia emergente di Fariborz Maseeh e preside associato per l'innovazione presso la School of Engineering. Ti permetterà di manipolare qualsiasi cosa, dai singoli atomi agli oggetti portatili. Fornirà un modo per fare [tutto da] scoperte su scala atomica a scoperte su scala micron, da scala millimetrica a dimensioni portatili. Saremo in grado di manipolare la materia su una scala che non puoi fare da nessun'altra parte nel campus.

Oggi, i ricercatori che hanno bisogno di utilizzare camere bianche e strumenti specializzati per lavorare sulla nanotecnologia, che sono ospitati su più piani dell'edificio 39, devono fare di tutto per evitare di contaminare i loro campioni e devono continuare a cambiarsi dentro e fuori gli indumenti da camera bianca - mentre trasportano i loro dispositivi e il lavoro in corso da una di queste stanze all'altra. E la richiesta delle attrezzature necessarie è così alta che alcuni ricercatori del MIT hanno dovuto fare parte del loro lavoro ad Harvard.

Un film su nanoscala sviluppato da Paula Hammond '84, PhD '93 e Bryan Hsu, PhD '14, può essere utilizzato per somministrare farmaci mediante iniezione diretta o rivestendo dispositivi medici impiantabili.

MIT.nano raddoppierà lo spazio condiviso dell'Istituto per la ricerca su nanoscala, rendendo le apparecchiature all'avanguardia in posizione centrale facilmente accessibili a tutti coloro che ne hanno bisogno. Pensalo come uno spazio creatore estremo, dice Bulović.

Spingere gli atomi in giro

Sappiamo da molti, molti anni che le cose contano su scala nanometrica, afferma Bulović. Ma per molto tempo non abbiamo avuto la possibilità di dare un'occhiata davvero. Poi, nel 1981, i ricercatori dell'IBM inventarono il microscopio a effetto tunnel, il primo strumento in grado di vedere i singoli atomi. E questo, dice, ci ha avvicinato alla comprensione del perché la nanoscala fa quello che fa.

Molte delle cose che sperimentiamo o utilizziamo nella vita quotidiana si basano sulla nanotecnologia, ma non lo apprezziamo molto, dice Bulović. I detersivi forniscono il bagliore più luminoso del bianco dei vestiti puliti perché utilizzano fosfori su scala nanometrica. Tutto ciò che annusi sono molecole di profumo che hanno una dimensione di un nanometro: il tuo naso ha rilevatori su nanoscala per percepire quell'odore. Le nostre papille gustative percepiscono le caratteristiche su nanoscala e microscala del nostro cibo: questo è ciò che ci dà la sensazione del gusto. Perché la piastrella di ceramica è più fredda del pavimento in legno, quando in realtà hanno entrambi la stessa temperatura? È l'attaccamento su scala atomica e su scala nanometrica degli atomi e il modo in cui conducono il calore lontano dal tuo corpo che è diverso.

Una superficie sviluppata dal MIT e dagli ingegneri sauditi è rivestita con un ferrofluido su scala nanometrica per consentire il controllo magnetico di goccioline e particelle d'acqua.

Da quando hanno acquisito la capacità di guardare gli atomi, i ricercatori hanno imparato sempre più come manipolare e creare strutture su quella scala. Ora la nanotecnologia, la produzione o la manipolazione di materiali in cui almeno una delle tre dimensioni è misurata in nanometri (miliardesimi di metro), è in prima linea in una gamma sbalorditiva di lavoro. Viene utilizzato per sviluppare nuovi tipi di sistemi per la produzione farmaceutica e la somministrazione di farmaci, materiali radicalmente nuovi per catturare l'energia solare, metodi altamente efficienti per purificare l'acqua, fibre biocompatibili che potrebbero fornire sia stimoli che farmaci restituendo dati sulle risposte del corpo, dispositivi robotici in grado di manipolare molecole, nanomateriali strutturati che possono liberare il potere del calcolo quantistico e molto altro.

La nanotecnologia, per sua natura, è multidisciplinare. In effetti, il tipo di ricerca che sarà svolto nelle camere bianche, nelle strutture di imaging e negli spazi di fabbricazione di prototipi al MIT.nano potrebbe avere un impatto profondo su una fascia di campi scientifici e ingegneristici così ampi che si stima che circa 2.000 membri di facoltà, post-dottorati, e gli studenti dovrebbero utilizzare la struttura ogni anno. Tra i docenti neoassunti, ne trarranno probabilmente vantaggio più della metà della Facoltà di Scienze e dei due terzi della Facoltà di Ingegneria.

Un rendering di MIT.nano visto dall'edificio 4.

Dare ai ricercatori tale accesso potrebbe produrre grandi risultati. Ad esempio, afferma Bulović, il mondo ora funziona principalmente con l'elettricità, ma la sua produzione e il suo utilizzo possono essere altamente inefficienti e la nanotecnologia potrebbe apportare miglioramenti in molte aree, compreso il fotovoltaico. Ci sono alcune opzioni in arrivo che potrebbero ridefinire il modo in cui funzionano le celle solari, perché puoi iniziare a utilizzare la struttura su scala nanometrica dei materiali, o punti quantici, per generare celle solari più sottili, leggere, più dispiegabili di qualsiasi precedente tecnologia solare e come un risultato più scalabile, dice. Sarebbe un punto di svolta.

La nanotecnologia potrebbe anche aiutare a evitare una crisi incombente nell'uso dell'energia per l'informatica. Il cloud computing oggi consuma forse il 3 o 4 per cento dell'elettricità utilizzata in tutto il mondo, dice Bulović, ma sta crescendo rapidamente: c'è una proiezione che avremo bisogno di mille volte più cloud computing tra un decennio. Con i nuovi chip basati sulla nanotecnologia, enormi salti di efficienza potrebbero evitare il conseguente calo di potenza.

Gli ingegneri del MIT hanno progettato un microscopio a forza atomica che cattura immagini di strutture piccole come una frazione di nanometro 2.000 volte più velocemente dei modelli commerciali.

Anche le nuove opportunità nel nanorilevamento sono molto promettenti. I ricercatori, tra cui Timothy Swager, stanno lavorando su un naso elettronico multifunzione in grado di rilevare tracce esplosive nell'aria, sostanze chimiche presenti sulle superfici o gas che indicano quando i prodotti sono maturi.

E un approccio simile potrebbe trasformare l'assistenza sanitaria. Se potessi monitorare i gas che escono nel tuo respiro, saresti in grado di dedurre lo stato di salute di un individuo? Potresti, hai solo bisogno del giusto tipo di sensore chimico, dice Bulović.

Il modo in cui vogliamo influenzare quelle cellule, controllarle, migliorarle, curarle, fornire farmaci: la medicina su scala nanometrica è un'enorme frontiera. È la scala funzionale del funzionamento dei nostri corpi.

Costruire una nave in bottiglia

La costruzione dell'edificio MIT.nano rappresenta una sfida ingegneristica scoraggiante. Il sito dell'edificio è stato scelto perché è soggetto a molte meno vibrazioni del traffico, della metropolitana e dei treni e a molte meno interferenze elettromagnetiche rispetto a qualsiasi delle altre quattro potenziali posizioni. Anche disturbi appena percettibili di quella natura potrebbero rovinare un esperimento o distorcere un'immagine su scala nanometrica. Ma la posizione è proprio nel cuore del campus. Ciò ha reso l'ingresso o l'uscita di camion carichi di materiali così stretti che il team responsabile del progetto lo paragona alla costruzione di una nave in bottiglia.

Vladimir Bulovic, responsabile della facoltà del MIT.nano e preside associato per l'innovazione presso la School of Engineering, presso il cantiere.

Uno degli innumerevoli compiti complicati è stato il getto della base di cemento per i dispositivi di imaging dell'edificio al livello del seminterrato. C'è una lastra da quattro milioni di libbre che si trova nel seminterrato, su cui siederà il più sensibile degli strumenti, spiega Bulović. Quella lastra doveva essere versata in un'unica colata di un giorno. Come si consegnano quattro milioni di libbre di calcestruzzo a un sito, quando si hanno solo 90 minuti da quando il calcestruzzo viene dosato fino a quando non viene versato e si indurisce da 15 a 30 minuti dopo la consegna? Devi assicurarti di avere esattamente il momento giusto. Per consegnare così tanto sono necessari 90 camion di cemento, e tutti devono essere coordinati per arrivare al momento giusto. Ci sono volute circa otto ore di perfetto coordinamento. Lo chiamo il balletto del camion del cemento.

Nel frattempo, tre strette aperture tra e sotto gli edifici fornivano l'unico accesso al sito per camion e attrezzature pesanti, comprese le gru, afferma Travis Wanat, il direttore dei lavori del progetto. Per assemblare i tanti pezzi di due gru a torre, che sono stati essenziali per estrarre migliaia di tonnellate di sporco e abbassare delicatamente centinaia di tonnellate di travi in ​​acciaio e altri materiali, avevamo bisogno di una gru mobile, ed è stato davvero molto stretto ottenerlo nel sito, ricorda Wanat. Per consentire all'autocarro che trasportava la gru mobile di passare sotto il ponte tra gli edifici 35 e 37, dice, a un certo punto abbiamo dovuto far uscire una certa quantità d'aria
le gomme.

Il sito MIT.nano (in arancione) si trova a due passi dal Corridoio Infinito, incastonato tra gli edifici che ospitano i dipartimenti di ingegneria biologica, fisica, scienze e ingegneria nucleare, scienza e ingegneria dei materiali e il Laboratorio di ricerca per l'elettronica.

E le complicazioni sono tutt'altro che finite. La prossima consegna più impegnativa saranno le unità di trattamento dell'aria e le unità di scarico, afferma Wanat. Abbiamo costruito una replica a grandezza naturale del pezzo più grande di ogni unità con un tubo in PVC, l'abbiamo messo sul retro di un camion e l'abbiamo guidato lungo il percorso che avremmo preso, per assicurarci di avere le giuste distanze. Meglio farlo con un tubo di plastica che con una scatola di metallo!

Gran parte dell'interno di questo edificio sarà circa 10.000 volte più pulito dell'aria normale della stanza, ottenendo ciò che è noto come pulizia di livello 5, il che significa che ci sono meno di 100 particelle più grandi di mezzo micrometro in ogni piede cubo di spazio. In confronto, l'aria interna ha tipicamente un milione di tali particelle per piede cubo.

Questa pulizia estrema è essenziale, perché alla scala delle nanoparticelle, dei nanofilm e delle nanofibre che i ricercatori studieranno, una particella di polvere potrebbe rovinare un intero esperimento. Raggiungerlo inizia durante il processo di costruzione. I lavoratori che costruiscono le camere bianche dovranno seguire rigidi protocolli quando entrano in cantiere. È trattato come se fosse una camera bianca di ricerca, dove c'è formazione per tutti coloro che devono andare in quella stanza, dice Wanat. A seconda del livello [di pulizia] in cui ci troviamo, dovranno indossare le tute in Tyvek, gli stivaletti, i guanti, le retine per capelli, mentre procediamo attraverso le fasi di quel progetto.

Un nuovo crocevia per il campus

Poiché la nanotecnologia è all'incrocio tra biologia, chimica, elettronica, fisica e ingegneria (tra molte altre discipline), è stata una coincidenza fortuita che la posizione più tranquilla del campus in termini di vibrazioni si è rivelata vicino al centro del campus come bene. Quindi il team che progettava l'edificio mirava a creare uno spazio che incoraggiasse la collaborazione e la fortuna.

Bulović afferma che, nonostante le numerose barriere contro la polvere e le vibrazioni esterne, lo spazio sarà molto aperto. Deve essere un ambiente contenuto, ma perché non mettere finestre ovunque, in modo da poter guardare all'interno e vedere cosa sta succedendo lì dentro? lui dice.

In effetti, l'edificio sarà visivamente straordinariamente poroso, in punti che consentiranno alla luce di risplendere da un lato e dall'altro. Le sue pareti esterne, che saranno completate in autunno, sono in gran parte realizzate in vetro, così come molte delle pareti interne dei laboratori e delle camere bianche. I visitatori potranno camminare lungo ampi corridoi a ogni livello che avranno vista sul cortile e sugli edifici esterni, inclusa la Grande Cupola, e potranno osservare i ricercatori in tute protettive, cappucci, occhiali e stivaletti mentre svolgere i loro esperimenti.

All'interno della camera bianca stessa, volevamo avere una comunicazione visiva da un'estremità all'altra, dice Bulović. Quindi abbiamo lunghi corridoi che sono otticamente liberi. I muri, le baie e gli inseguimenti sono trasparenti. Puoi guardare dentro e vedere i macchinari, e la persona nell'area successiva e nell'area successiva.

Vede MIT.nano come un luogo che facilita incontri accidentali, piuttosto che solo un luogo in cui le persone vengono a usare gli strumenti come farebbero in una tipica officina meccanica. Deve essere un posto che ti permetta di avviare una conversazione, ti permetta di avere un posto dove allontanarti dallo strumento e andare su una lavagna o su una lavagna magnetica, perché non vogliamo polvere, e abbozzare il prossimo idea, dice. Abbiamo aree comuni che prevedono incontri casuali.

Una volta che la struttura sarà aperta nel giugno del 2018, riempire tutto il suo spazio con strumenti di fabbricazione e imaging potrebbe richiedere altri due o tre anni, afferma Bulović, anche se i tipi di apparecchiature di base dovrebbero essere disponibili molto prima. E quel ritardo è dovuto alla progettazione: per garantire che MIT.nano dia ai ricercatori l'accesso a strumenti veramente all'avanguardia in un campo che sta avanzando rapidamente, le scelte finali delle apparecchiature non saranno effettuate fino al nuovo l'edificio è pronto e fino a quando non saranno disponibili i finanziamenti per quei dispositivi. In definitiva, i laboratori dovrebbero ospitare una panoplia di dispositivi che consentiranno non solo l'imaging su nanoscala, la deposizione sotto vuoto e l'analisi biologica, ma anche attività come la fabbricazione e l'assemblaggio di dispositivi nano, la progettazione e il test di chip e la realizzazione di materiali bidimensionali e nanofibre. Alcuni di questi dispositivi non esistono ancora. I potenziali utenti della struttura lo sono già invitato per suggerire gli strumenti che vorrebbero avere a disposizione; le selezioni iniziali basate sul contributo della comunità inizieranno il prossimo anno.

Nel frattempo, le mura esterne stanno rapidamente prendendo la loro forma definitiva. E con quel guscio che sarà presto completamente al suo posto, la costruzione di MIT.nano non sarà più tanto uno sport per spettatori come lo è stato il processo negli ultimi due anni. Ma non sarà del tutto fuori dalla vista, dice Wanat: Stiamo cercando di installare telecamere time-lapse negli angoli. Quindi, si spera, una volta che avremo alzato le pareti esterne, ci saranno ancora alcune viste all'interno dell'edificio che possiamo proiettare alla comunità mentre andiamo avanti.

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