La prochaine grande chose au MIT sera très, très petite

Officiellement, il est connu sous le nom de MIT.nano. Mais les personnes impliquées dans la construction du bâtiment aiment l'appeler The Machine.

C'est un nom approprié pour la nouvelle installation remarquable qui prend forme à deux pas du couloir infini. Conçu pour abriter deux étages de salles blanches équipées des outils les plus avancés au monde pour la recherche à l'échelle nanométrique, le bâtiment sera en effet une sorte de machine de haute technologie, bourdonnant d'équipements de traitement de l'air et de centaines de capteurs surveillant en permanence chaque aspect de la environnement.

Quiconque regarde par les fenêtres le long de l'Infini a vu une année de progrès spectaculaires sur le site MIT.nano, qui est adjacent au bâtiment 10 du MIT avec son grand dôme. Ce qui a commencé comme un très grand trou dans le sol a fait germer un cadre en acier avec des murs extérieurs en verre et en béton pour la plupart en place. D'ici l'été 2018, des recherches sur des structures à l'échelle des atomes et des molécules commenceront à se dérouler à l'intérieur de l'installation, dont la construction est l'un des projets de construction les plus importants, les plus ambitieux et les plus difficiles jamais entrepris au MIT.

Superstructure du MIT.nano au début de mars 2016.

Une fois terminé, ce sera probablement le bâtiment le plus complexe du campus, déclare Vladimir Bulović, responsable de la faculté du MIT.nano. Ses systèmes sont hautement intégrés et parfaitement réglés, comme ils le seraient dans une machine complexe et magnifique.

Ces systèmes maintiendront l'environnement ultra vierge nécessaire pour étudier les nanotechnologies. Dans quelques années, quelqu'un passant devant le bâtiment aux parois de verre verra peut-être un chercheur travailler sur un nouvel appareil qui révolutionnera la fabrication de produits pharmaceutiques, la purification de l'eau ou le stockage de l'énergie électrique.

Partie d'un dispositif de système microélectromécanique (MEMS) que les laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT ont produit sur un dispositif de fabrication de bureau.

L'objectif de MIT.nano est de contenir tous les outils nanométriques de pointe qui pourraient faire progresser la technologie et la science, explique Bulović, qui est professeur Fariborz Maseeh en technologies émergentes et doyen associé pour l'innovation à la School of Engineering. Il vous permettra de manipuler n'importe quoi, des atomes individuels aux objets portatifs. Il fournira un moyen de faire [tout, des] découvertes à l'échelle atomique aux découvertes à l'échelle du micron à l'échelle millimétrique à la taille portable. Nous pourrons manipuler la matière à une échelle que vous ne pouvez faire nulle part ailleurs sur le campus.

Aujourd'hui, les chercheurs qui ont besoin d'utiliser des salles blanches et des outils spécialisés pour travailler sur les nanotechnologies, qui sont hébergés sur plusieurs étages du bâtiment 39, doivent faire de grands efforts pour éviter de contaminer leurs échantillons et doivent continuer à changer d'habit de salle blanche. - alors qu'ils transportent leurs appareils et travaillent en cours d'une telle pièce à une autre. Et la demande pour l'équipement nécessaire est si élevée que certains chercheurs du MIT ont dû effectuer une partie de leur travail à Harvard.

Un film à l'échelle nanométrique développé par Paula Hammond '84, PhD '93, et Bryan Hsu, PhD '14, peut être utilisé pour administrer des médicaments par injection directe ou en enrobant des dispositifs médicaux implantables.

MIT.nano va plus que doubler l'espace partagé de l'Institut pour la recherche à l'échelle nanométrique, rendant l'équipement de pointe centralisé facilement accessible à tous ceux qui en ont besoin. Considérez-le comme un espace de création extrême, dit Bulović.

Pousser les atomes autour

Nous savons depuis de très nombreuses années que les choses comptent à l'échelle nanométrique, dit Bulović. Mais pendant longtemps, nous n'avons pas eu l'occasion d'y jeter un coup d'œil. Puis, en 1981, des chercheurs d'IBM ont inventé le microscope à effet tunnel, le premier outil capable de voir des atomes individuels. Et cela, dit-il, nous a rapprochés d'une appréciation de la raison pour laquelle l'échelle nanométrique fait ce qu'elle fait.

Beaucoup de choses que nous vivons ou utilisons dans la vie quotidienne sont basées sur la nanotechnologie, mais nous ne l'apprécions pas vraiment, dit Bulović. Les détergents donnent l'éclat plus brillant que blanc des vêtements propres car ils utilisent des luminophores à l'échelle nanométrique. Tout ce que vous sentez est constitué de molécules d'odeur d'une taille d'un nanomètre. Votre nez est équipé de détecteurs à l'échelle nanométrique afin de détecter cette odeur. Nos papilles gustatives détectent les caractéristiques à l'échelle nanométrique et microscopique de nos aliments, c'est ce qui nous donne la sensation du goût. Pourquoi les carreaux de céramique sont-ils plus froids que le parquet, alors qu'en fait ils sont tous les deux à la même température ? C'est la fixation à l'échelle atomique et à l'échelle nanométrique des atomes et la façon dont ils évacuent la chaleur de votre corps qui est différente.

Une surface développée par le MIT et des ingénieurs saoudiens est recouverte d'un ferrofluide à l'échelle nanométrique pour permettre le contrôle magnétique des gouttelettes et des particules d'eau.

Depuis qu'ils ont acquis la capacité de regarder les atomes, les chercheurs ont de plus en plus appris à manipuler et à créer des structures à cette échelle. Aujourd'hui, la nanotechnologie - la fabrication ou la manipulation de matériaux dont au moins l'une des trois dimensions est mesurée en nanomètres (milliardièmes de mètre) - est à l'avant-garde d'une gamme de travaux stupéfiante. Il est utilisé pour développer de nouveaux types de systèmes pour la fabrication pharmaceutique et l'administration de médicaments, des matériaux radicalement nouveaux pour capter l'énergie solaire, des moyens très efficaces de purifier l'eau, des fibres biocompatibles qui pourraient fournir à la fois des stimuli et des médicaments tout en renvoyant des données sur les réponses du corps, des dispositifs robotiques capable de manipuler des molécules, des nanomatériaux structurés susceptibles de libérer la puissance du calcul quantique, et bien plus encore.

La nanotechnologie, de par sa nature, est multidisciplinaire. En effet, les types de recherche qui seront menés dans les salles blanches, les installations d'imagerie et les espaces de fabrication de prototypes au MIT.nano pourraient avoir des impacts profonds sur un éventail de domaines scientifiques et techniques si vastes qu'environ 2 000 membres du corps professoral, postdoctorants, et les étudiants sont censés utiliser l'installation chaque année. Parmi les professeurs nouvellement titulaires, plus de la moitié à l'École des sciences et les deux tiers à l'École d'ingénierie en profiteront probablement.

Un rendu de MIT.nano vu du bâtiment 4.

Donner cet accès aux chercheurs pourrait donner de grands résultats. Par exemple, dit Bulović, le monde fonctionne désormais principalement à l'électricité, mais sa production et son utilisation peuvent être très inefficaces - et la nanotechnologie pourrait apporter des améliorations dans de nombreux domaines, y compris le photovoltaïque. Certaines options à venir pourraient redéfinir le fonctionnement des cellules solaires, car vous pouvez commencer à utiliser la structure nanométrique des matériaux, ou points quantiques, pour générer des cellules solaires plus fines, plus légères, plus déployables que toute technologie solaire précédente, et comme un résultat plus évolutif, dit-il. Cela changerait la donne.

La nanotechnologie pourrait également aider à éviter une crise imminente de l'utilisation de l'énergie pour l'informatique. Aujourd'hui, le cloud computing consomme peut-être 3 ou 4 % de l'électricité utilisée dans le monde, dit Bulović, mais cela augmente rapidement : il y a une projection selon laquelle nous aurons besoin de mille fois plus de cloud computing dans une décennie. Avec de nouvelles puces basées sur la nanotechnologie, d'énormes gains d'efficacité pourraient éviter la crise de puissance qui en résulte.

Les ingénieurs du MIT ont conçu un microscope à force atomique qui capture des images de structures aussi petites qu'une fraction de nanomètre 2 000 fois plus rapidement que les modèles commerciaux.

De nouvelles opportunités dans le domaine de la nanodétection sont également très prometteuses. Des chercheurs, dont Timothy Swager, travaillent sur un nez électronique multifonction qui pourrait détecter des traces d'explosifs dans l'air, des produits chimiques présents sur les surfaces ou des gaz qui indiquent quand les produits sont mûrs.

Et une approche similaire pourrait transformer les soins de santé. Si vous pouviez surveiller les gaz qui sortent de votre souffle, seriez-vous capable de déduire l'état de santé d'un individu ? Vous pourriez - vous avez juste besoin du bon type de capteur chimique, dit Bulović.

La façon dont nous voulons affecter ces cellules, les contrôler, les améliorer, les guérir, délivrer des médicaments : la médecine à l'échelle nanométrique est une formidable frontière. C'est l'échelle fonctionnelle du fonctionnement de notre corps.

Construire un bateau dans une bouteille

La construction du bâtiment MIT.nano représente un défi d'ingénierie de taille. Le site du bâtiment a été choisi parce qu'il est soumis à beaucoup moins de vibrations de la circulation, des métros et des trains, et beaucoup moins d'interférences électromagnétiques, que n'importe lequel des quatre autres emplacements potentiels. Même des perturbations à peine perceptibles de cette nature pourraient ruiner une expérience ou déformer une image à l'échelle nanométrique. Mais l'emplacement est au cœur même du campus. Cela rendait l'entrée ou la sortie de chargements de camions de matériaux si serrée que l'équipe responsable du projet le compare à la construction d'un navire dans une bouteille.

Vladimir Bulovic, directeur de la faculté du MIT.nano et doyen associé pour l'innovation à l'École d'ingénierie, sur le chantier de construction.

L'une des innombrables tâches délicates consistait à couler la base en béton des appareils d'imagerie du bâtiment au sous-sol. Il y a une dalle de quatre millions de livres qui se trouve au sous-sol, sur laquelle les instruments les plus sensibles seront assis, explique Bulović. Cette dalle devait être coulée en une seule journée. Comment livrez-vous quatre millions de livres de béton sur un site, alors que vous n'avez que 90 minutes entre le moment où le béton est mélangé et celui où il est coulé et qu'il durcit 15 à 30 minutes après la livraison ? Vous devez vous assurer que vous avez exactement le bon timing. Pour livrer autant, vous avez besoin de 90 camions de ciment, et ils doivent tous être coordonnés pour arriver au bon moment. Il a fallu environ huit heures de coordination parfaite. Je l'appelle le ballet des camions de ciment.

Pendant ce temps, trois ouvertures étroites entre et sous les bâtiments offraient le seul accès au site pour les camions et les équipements lourds, y compris les grues, explique Travis Wanat, directeur de la construction du projet. Pour assembler les nombreuses pièces de deux grues à tour, qui ont été essentielles pour extraire des milliers de tonnes de saleté et abaisser doucement des centaines de tonnes de poutres en acier et d'autres matériaux, nous avions besoin d'une grue mobile, et c'était vraiment très difficile à obtenir. sur le site, se souvient Wanat. Pour permettre au camion transportant la grue mobile de passer sous le pont entre les bâtiments 35 et 37, dit-il, à un moment donné, nous avons dû évacuer une certaine quantité d'air
Les pneus.

Le site MIT.nano (en orange) se trouve à deux pas du couloir infini, niché parmi des bâtiments abritant les départements de génie biologique, de physique, de science et génie nucléaires, de science et génie des matériaux, et le laboratoire de recherche en électronique.

Et les complications sont loin d'être terminées. La prochaine livraison la plus difficile sera les unités de traitement de l'air et les unités d'extraction, a déclaré Wanat. Nous avons construit une réplique grandeur nature du plus gros morceau de chaque unité à partir d'un tuyau en PVC, l'avons placée à l'arrière d'un camion et l'avons conduite sur le chemin que nous emprunterions, pour nous assurer que nous avions les bons dégagements. Mieux vaut le faire avec un tuyau en plastique qu'avec une boite en métal !

Une grande partie de l'intérieur de ce bâtiment sera environ 10 000 fois plus propre que l'air ambiant ordinaire, atteignant ce que l'on appelle la propreté de niveau 5, ce qui signifie qu'il y a moins de 100 particules de plus d'un demi-micromètre dans chaque pied cube d'espace. En comparaison, l'air intérieur contient généralement un million de ces particules par pied cube.

Cette propreté extrême est essentielle, car à l'échelle des nanoparticules, nanofilms et nanofibres que les chercheurs vont étudier, une particule de poussière pourrait ruiner toute une expérience. Sa réalisation commence pendant le processus de construction. Les travailleurs qui construisent les salles blanches devront suivre des protocoles stricts lorsqu'ils entreront sur le chantier. Il est traité comme s'il s'agissait d'une salle blanche de recherche, où il y a une formation pour tous ceux qui doivent y aller, dit Wanat. Selon le niveau [de propreté] auquel nous sommes, ils devront porter les combinaisons Tyvek, les chaussons, les gants, les filets à cheveux, au fur et à mesure que nous progressons dans les étapes de ce projet.

Un nouveau carrefour pour le campus

Parce que la nanotechnologie est à l'intersection de la biologie, de la chimie, de l'électronique, de la physique et de l'ingénierie (parmi de nombreuses autres disciplines), c'est une coïncidence fortuite que l'endroit le plus calme du campus en termes de vibrations s'est avéré être proche du centre du campus comme bien. L'équipe de planification du bâtiment visait donc à créer un espace qui encouragera la collaboration et la sérendipité.

Bulović dit que malgré ses nombreuses barrières contre la poussière et les vibrations extérieures, l'espace sera très ouvert. Il doit s'agir d'un environnement confiné, mais pourquoi ne pas mettre des fenêtres partout, afin que vous puissiez regarder à l'intérieur et voir ce qui s'y passe ? il dit.

En effet, le bâtiment sera visuellement remarquablement poreux, à certains endroits laissant passer la lumière d'un côté à l'autre. Ses murs extérieurs, qui seront terminés cet automne, sont en grande partie en verre, tout comme bon nombre des murs intérieurs des laboratoires et des salles blanches. Les visiteurs pourront se promener le long de larges couloirs à chaque niveau qui auront une vue sur la cour et les bâtiments à l'extérieur, y compris le Grand Dôme - et ils pourront observer les chercheurs en combinaisons de protection complètes, cagoules, lunettes et chaussons pendant qu'ils réaliser leurs expériences.

Dans la salle blanche elle-même, nous voulions avoir une communication visuelle d'un bout à l'autre, explique Bulović. Nous avons donc de longs couloirs optiquement sans entraves. Les murs et les baies et les chasses sont transparents. Vous pouvez regarder à l'intérieur et voir les machines et la personne dans la baie voisine et la baie suivante.

Il envisage MIT.nano comme un lieu qui facilite les rencontres accidentelles, plutôt qu'un simple lieu où les gens viennent utiliser les outils comme ils le feraient dans un atelier d'usinage typique. Ce doit être un endroit qui vous permet de déclencher une conversation, vous permet d'avoir un endroit pour vous éloigner de l'outil et aller à un tableau blanc - ou un tableau magnétique, parce que nous ne voulons pas de poussière - et esquisser le prochain idée, dit-il. Nous avons des espaces communs qui permettent ces rencontres fortuites.

Une fois l'installation ouverte en juin 2018, remplir tout son espace avec des outils de fabrication et d'imagerie pourrait prendre encore deux à trois ans, dit Bulović, bien que les types d'équipement de base devraient être disponibles beaucoup plus tôt. Et ce retard est intentionnel : pour s'assurer que MIT.nano donnera aux chercheurs accès à des outils véritablement à la pointe de la technologie dans un domaine qui progresse rapidement, les choix définitifs d'équipement ne seront faits qu'à la nouvelle bâtiment est prêt et jusqu'à ce que le financement soit en place pour ces appareils. En fin de compte, les laboratoires devraient abriter une panoplie de dispositifs qui permettront non seulement l'imagerie à l'échelle nanométrique, le dépôt sous vide et l'analyse biologique, mais également des activités telles que la fabrication et l'assemblage de nanodispositifs, la conception et le test de puces, la fabrication de matériaux bidimensionnels et nanofibres. Certains de ces appareils n'existent même pas encore. Les utilisateurs potentiels de l'installation sont déjà invité suggérer des outils qu'ils aimeraient avoir à disposition ; les sélections initiales basées sur les commentaires de la communauté commenceront l'année prochaine.

Pendant ce temps, les murs extérieurs prennent rapidement leur forme définitive. Et avec cette coque bientôt entièrement en place, la construction de MIT.nano ne sera plus autant un sport de spectateur que le processus l'a été au cours des deux dernières années. Mais ce ne sera pas totalement hors de vue, déclare Wanat : nous envisageons d'installer des caméras accélérées dans les coins. J'espère donc qu'une fois les murs extérieurs en place, il y aura encore des vues à l'intérieur du bâtiment que nous pourrons projeter à la communauté au fur et à mesure.

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