La próxima gran cosa en el MIT será muy, muy pequeña

Oficialmente, se conoce como MIT.nano. Pero a las personas involucradas en la construcción del edificio les gusta llamarlo La Máquina.

Es un nombre apropiado para la extraordinaria nueva instalación que está tomando forma a corta distancia del Corredor Infinito. Diseñado para albergar dos pisos de espacio de sala limpia equipado con las herramientas más avanzadas del mundo para la investigación a nanoescala, el edificio será una especie de máquina de alta tecnología, repleta de equipos de manejo de aire y cientos de sensores que monitorean constantemente cada aspecto del ambiente.

Cualquiera que mire por las ventanas a lo largo del Infinite ha visto un año espectacular de progreso en el sitio MIT.nano, que se encuentra junto al Edificio 10 del MIT con su Gran Cúpula. Lo que comenzó como un agujero muy grande en el suelo ha dado lugar a una estructura de acero con paredes exteriores de vidrio y hormigón en su mayoría en su lugar. Para el verano de 2018, la investigación de estructuras a escala de átomos y moléculas comenzará a realizarse dentro de la instalación, cuya construcción es uno de los proyectos de construcción más grandes, ambiciosos y desafiantes jamás realizados en el MIT.

Superestructura de MIT.nano a principios de marzo de 2016.

Una vez completado, este será probablemente el edificio más complejo del campus, dice Vladimir Bulović, líder de la facultad de MIT.nano. Sus sistemas están altamente integrados y exquisitamente ajustados, como lo estarían en una máquina compleja y magnífica.

Esos sistemas mantendrán el entorno ultra prístino que se requiere para investigar la nanotecnología. Dentro de unos años, alguien que pase por el edificio con paredes de cristal puede ser testigo de un investigador trabajando en algún nuevo dispositivo que revolucionará la fabricación de productos farmacéuticos, la purificación del agua o el almacenamiento de energía eléctrica.

Parte de un dispositivo de sistema microelectromecánico (MEMS) que los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT produjeron en un dispositivo de fabricación de escritorio.

El objetivo de MIT.nano es contener todas las herramientas de nanoescala de vanguardia que podrían hacer avanzar la tecnología y la ciencia, dice Bulović, profesor Fariborz Maseeh en Tecnología Emergente y decano asociado de innovación en la Escuela de Ingeniería. Le permitirá manipular cualquier cosa, desde átomos individuales hasta objetos de mano. Proporcionará una manera de hacer [todo, desde] descubrimientos a escala atómica hasta descubrimientos a escala micrométrica, desde escala milimétrica hasta tamaño portátil. Podremos manipular la materia en una escala que no se puede hacer en ningún otro lugar del campus.

Hoy en día, los investigadores que necesitan usar salas limpias y herramientas especializadas para trabajar en nanotecnología, que se encuentran en varios pisos del Edificio 39, deben hacer todo lo posible para evitar contaminar sus muestras, y deben cambiarse y quitarse la ropa de la sala limpia. —mientras llevan sus dispositivos y el trabajo en curso de una de esas habitaciones a otra. Y la demanda del equipo necesario es tan alta que algunos investigadores del MIT han tenido que hacer parte de su trabajo en Harvard.

Una película a nanoescala desarrollada por Paula Hammond '84, PhD '93 y Bryan Hsu, PhD '14, se puede usar para administrar medicamentos mediante inyección directa o recubriendo dispositivos médicos implantables.

MIT.nano duplicará con creces el espacio compartido del Instituto para la investigación a nanoescala, haciendo que los equipos de última generación y ubicados centralmente sean fácilmente accesibles para todos los que los necesiten. Piense en ello como un espacio de creación extremo, dice Bulović.

Empujando átomos alrededor

Sabemos desde hace muchos, muchos años que las cosas importan a nanoescala, dice Bulović. Pero durante mucho tiempo, no tuvimos la oportunidad de echar un vistazo. Luego, en 1981, los investigadores de IBM inventaron el microscopio de túnel de barrido, la primera herramienta que podía ver átomos individuales. Y eso, dice, nos acercó a una apreciación de por qué la nanoescala hace lo que hace.

Muchas de las cosas que experimentamos o usamos en la vida diaria se basan en la nanotecnología, pero realmente no apreciamos eso, dice Bulović. Los detergentes brindan el brillo más brillante que el blanco de la ropa limpia porque usan fósforos a nanoescala. Todo lo que hueles son moléculas de olor que tienen un tamaño de un nanómetro: tu nariz tiene detectores a nanoescala para sentir ese olor. Nuestras papilas gustativas detectan características a nanoescala y microescala en nuestros alimentos, eso es lo que nos da la sensación del gusto. ¿Por qué la baldosa cerámica se siente más fría que el piso de madera, cuando en realidad ambos tienen la misma temperatura? Lo que es diferente es la unión de los átomos a escala atómica, a nanoescala, y la forma en que conducen el calor lejos de su cuerpo.

Una superficie desarrollada por ingenieros saudíes y del MIT está recubierta con un ferrofluido a nanoescala para permitir el control magnético de las gotas y partículas de agua.

Desde que adquirieron la capacidad de observar los átomos, los investigadores han aprendido cada vez más a manipular y crear estructuras a esa escala. Ahora, la nanotecnología —fabricar o manipular materiales en los que al menos una de las tres dimensiones se mide en nanómetros (milmillonésimas de metro)— está al frente de una asombrosa gama de trabajo. Se está utilizando para desarrollar nuevos tipos de sistemas para la fabricación de productos farmacéuticos y la administración de medicamentos, materiales radicalmente nuevos para capturar la energía solar, formas altamente eficientes de purificar el agua, fibras biocompatibles que podrían administrar tanto estímulos como medicamentos al tiempo que devuelven datos sobre las respuestas del cuerpo, dispositivos robóticos capaz de manipular moléculas, nanomateriales estructurados que pueden liberar el poder de la computación cuántica y mucho más.

La nanotecnología, por su naturaleza, es multidisciplinar. De hecho, los tipos de investigación que se llevarán a cabo en las salas limpias, las instalaciones de imágenes y los espacios de fabricación de prototipos en MIT.nano podrían tener un impacto profundo en una franja de campos científicos y de ingeniería tan amplios que se estima que 2000 miembros de la facultad, posdoctorados, y se espera que los estudiantes usen las instalaciones anualmente. Entre los profesores nuevos, más de la mitad en la Escuela de Ciencias y dos tercios en la Escuela de Ingeniería probablemente lo aprovecharán.

Una representación de MIT.nano vista desde el Edificio 4.

Dar a los investigadores ese acceso podría producir grandes resultados. Por ejemplo, dice Bulović, el mundo ahora funciona principalmente con electricidad, pero su producción y uso pueden ser muy ineficientes, y la nanotecnología podría traer mejoras en muchas áreas, incluida la fotovoltaica. Se avecinan algunas opciones que podrían redefinir la forma en que funcionan las células solares, porque puede comenzar a utilizar la estructura de materiales a nanoescala, o puntos cuánticos, para generar células solares que son más delgadas, livianas, más desplegables que cualquier tecnología solar anterior, y como un resultado más escalable, dice. Eso sería un cambio de juego.

La nanotecnología también podría ayudar a evitar una crisis inminente en el uso de energía para la computación. La computación en la nube actualmente consume quizás el 3 o 4 por ciento de la electricidad utilizada en todo el mundo, dice Bulović, pero eso está creciendo rápidamente: existe una proyección de que necesitaremos mil veces más computación en la nube dentro de una década. Con nuevos chips basados ​​en nanotecnología, los grandes saltos en la eficiencia podrían evitar la crisis energética resultante.

Los ingenieros del MIT diseñaron un microscopio de fuerza atómica que captura imágenes de estructuras tan pequeñas como una fracción de nanómetro 2000 veces más rápido que los modelos comerciales.

Las nuevas oportunidades en la nanodetección también son muy prometedoras. Los investigadores, incluido Timothy Swager, están trabajando en una nariz electrónica multifunción que podría detectar rastros de explosivos en el aire, sustancias químicas presentes en las superficies o gases que indican cuándo el producto está maduro.

Y un enfoque similar podría transformar la atención médica. Si puede monitorear los gases que salen de su aliento, ¿sería capaz de inferir el estado de salud de un individuo? Podría, solo necesita el tipo correcto de sensor químico, dice Bulović.

La forma en que queremos afectar esas células, controlarlas, mejorarlas, curarlas, entregar medicamentos: la medicina a nanoescala es una frontera tremenda. Es la escala funcional del funcionamiento de nuestros cuerpos.

Construyendo un barco en una botella

La construcción del edificio MIT.nano representa un enorme desafío de ingeniería. Se eligió el sitio del edificio porque está sujeto a muchas menos vibraciones del tráfico, el metro y los trenes, y a muchas menos interferencias electromagnéticas que cualquiera de las otras cuatro ubicaciones potenciales. Incluso las perturbaciones apenas perceptibles de esa naturaleza podrían arruinar un experimento o distorsionar una imagen a nanoescala. Pero la ubicación está en el corazón del campus. Eso hizo que la entrada o salida de camiones llenos de materiales fuera tan apretada que el equipo responsable del proyecto lo comparó con construir un barco en una botella.

Vladimir Bulovic, líder de la facultad de MIT.nano y decano asociado de innovación en la Escuela de Ingeniería, en el sitio de construcción.

Una de las innumerables tareas difíciles fue verter la base de hormigón para los dispositivos de imágenes del edificio en el nivel del sótano. Hay una losa de cuatro millones de libras en el sótano, en la que se sentará el más sensible de los instrumentos, explica Bulović. Esa losa debía verterse en un solo vertido de un día. ¿Cómo entrega cuatro millones de libras de concreto a un sitio, cuando solo tiene 90 minutos desde que se dosifica el concreto hasta que se vierte, y se endurece de 15 a 30 minutos después de la entrega? Tienes que asegurarte de tener exactamente el momento adecuado. Para entregar tanto necesita 90 camiones de cemento, y todos deben estar coordinados para llegar justo en el momento adecuado. Fueron unas ocho horas de perfecta coordinación. Me refiero a él como el ballet del camión de cemento.

Mientras tanto, tres aberturas estrechas entre y debajo de los edificios proporcionaron el único acceso al sitio para camiones y equipos pesados, incluidas grúas, dice Travis Wanat, gerente de construcción del proyecto. Para ensamblar las muchas piezas de dos grúas torre, que han sido esenciales para extraer miles de toneladas de tierra y bajar suavemente cientos de toneladas de vigas de acero y otros materiales, necesitábamos una grúa móvil, y eso fue muy, muy difícil de conseguir. en el sitio, recuerda Wanat. Para permitir que el camión que transportaba la grúa móvil pasara poco a poco por debajo del puente entre los Edificios 35 y 37, dice, en un momento tuvimos que dejar salir cierta cantidad de aire del
las llantas.

El sitio MIT.nano (en naranja) se encuentra a tiro de piedra del Corredor Infinito, ubicado entre edificios que albergan los departamentos de ingeniería biológica, física, ciencia e ingeniería nuclear, y ciencia e ingeniería de materiales, y el Laboratorio de Investigación de Electrónica.

Y las complicaciones están lejos de terminar. La próxima entrega más desafiante serán las unidades de tratamiento de aire y las unidades de escape, dice Wanat. Construimos una réplica de tamaño real de la pieza más grande de cada unidad con tubería de PVC, la colocamos en la parte trasera de un camión y la condujimos por el camino que tomaríamos, para asegurarnos de que teníamos los espacios adecuados. ¡Mejor hacerlo con un tubo de plástico que con una caja de metal!

Gran parte del interior de este edificio será unas 10.000 veces más limpio que el aire de una habitación ordinaria, logrando lo que se conoce como limpieza de nivel 5, lo que significa que hay menos de 100 partículas de más de medio micrómetro en cada pie cúbico de espacio. En comparación, el aire interior normalmente tiene un millón de partículas por pie cúbico.

Esa limpieza extrema es esencial, porque a la escala de las nanopartículas, nanopelículas y nanofibras que estudiarán los investigadores, una partícula de polvo podría arruinar todo un experimento. Lograrlo comienza durante el proceso de construcción. Los trabajadores que construyan las salas limpias deberán seguir protocolos estrictos al ingresar al lugar de trabajo. Se trata como si fuera una sala limpia de investigación, donde hay capacitación para todos los que tienen que entrar en esa sala, dice Wanat. Según el nivel [de limpieza] en el que estemos, deberán usar los trajes Tyvek, los botines, los guantes, las redes para el cabello, a medida que avanzamos en las etapas de ese proyecto.

Una nueva encrucijada para el campus

Debido a que la nanotecnología se encuentra en la intersección de la biología, la química, la electrónica, la física y la ingeniería (entre muchas otras disciplinas), fue una coincidencia fortuita que el lugar más silencioso del campus en términos de vibraciones resultó estar cerca del centro del campus como bien. Entonces, el equipo que planeó el edificio tuvo como objetivo crear un espacio que fomente la colaboración y la casualidad.

Bulović dice que a pesar de sus muchas barreras contra el polvo y las vibraciones del exterior, el espacio será muy abierto. Tiene que ser un entorno contenido, pero ¿por qué no poner ventanas en todas partes, para que puedas mirar dentro y ver qué está pasando allí? él dice.

De hecho, el edificio será notablemente poroso visualmente, en lugares que permitan que la luz brille desde un lado y desde el otro. Sus paredes exteriores, que se completarán este otoño, están hechas en gran parte de vidrio, al igual que muchas de las paredes interiores de los laboratorios y el espacio de la sala limpia. Los visitantes podrán caminar a lo largo de amplios corredores en cada nivel que tendrán vistas del patio y los edificios exteriores, incluido el Gran Domo, y podrán observar a los investigadores con monos protectores completos, capuchas, gafas y botines mientras llevar a cabo sus experimentos.

Dentro de la propia sala limpia, queríamos tener comunicación visual de un extremo al otro, dice Bulović. Así que tenemos pasillos largos que no tienen obstáculos ópticos. Las paredes y bahías y persecuciones son transparentes. Puede mirar hacia adentro y ver la maquinaria y la persona en la siguiente bahía y en la siguiente bahía.

Él visualiza MIT.nano como un lugar que facilita los encuentros accidentales, en lugar de simplemente un lugar donde las personas vienen a usar las herramientas como lo harían en un taller mecánico típico. Tiene que ser un lugar que le permita iniciar una conversación, le permita tener un lugar para alejarse de la herramienta e ir a una pizarra blanca, o a una pizarra magnética, porque no queremos polvo, y esbozar el siguiente idea, dice. Contamos con áreas comunes que brindan esos encuentros casuales.

Una vez que las instalaciones abran en junio de 2018, llenar todo su espacio con herramientas de fabricación e imagen podría llevar otros dos o tres años, dice Bulović, aunque los tipos básicos de equipos deberían estar disponibles mucho antes. Y esa demora es por diseño: para garantizar que MIT.nano les brinde a los investigadores acceso a herramientas verdaderamente avanzadas en un campo que avanza rápidamente, las elecciones finales de equipos no se tomarán hasta que el nuevo el edificio está listo, y hasta que se cuente con los fondos para esos dispositivos. En última instancia, se espera que los laboratorios alberguen una panoplia de dispositivos que permitirán no solo la generación de imágenes a nanoescala, la deposición al vacío y el análisis biológico, sino también actividades como la fabricación y el ensamblaje de nanodispositivos, el diseño y la prueba de chips, y la fabricación de materiales y materiales bidimensionales. nanofibras. Algunos de estos dispositivos ni siquiera existen todavía. Los usuarios potenciales de la instalación ya están invitado para sugerir herramientas que les gustaría tener disponibles; las selecciones iniciales basadas en los aportes de la comunidad comenzarán el próximo año.

Mientras tanto, las paredes exteriores están tomando rápidamente su forma final. Y con ese caparazón que pronto estará completamente en su lugar, la construcción de MIT.nano ya no será tanto un deporte para espectadores como lo ha sido el proceso durante los últimos dos años. Pero no estará totalmente fuera de la vista, dice Wanat: estamos buscando instalar cámaras de lapso de tiempo en las esquinas. Entonces, con suerte, una vez que levantemos las paredes exteriores, todavía habrá algunas vistas dentro del edificio que podamos proyectar a la comunidad a medida que avanzamos.

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