Go Inside M.I.T.'s 50,000 Square Foot Clean Room
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尖端研究非常微小，而且非常干净。在本集中，主持人瑞秋·费尔特曼与麻省理工学院纳米中心主任弗拉基米尔·布洛维奇一起参观了该设施的纳米级能力。其严格控制的洁净室容纳着多个领域的研发，从微电子学到医学纳米技术。您可以在以下网址观看布洛维奇对实验室的参观：https://youtu.be/ucGFcLjX30Q如果您有任何问题、意见或我们应该报道的故事的想法，请发送电子邮件至[email protected]！每天发现新事物：订阅《科学美国人》并注册我们的每日新闻通讯《今日科学》。《科学速递》由瑞秋·费尔特曼、丰达·姆旺吉、凯尔索·哈珀、纳伊姆·阿马西和杰夫·德尔维斯奇制作。本集由瑞秋·费尔特曼主持。我们的节目由杰夫·德尔维斯奇编辑，事实核查由谢伊娜·波塞斯和亚伦·沙特克负责。主题音乐由多米尼克·史密斯创作。了解有关您的广告选择的更多信息。访问megaphone.fm/adchoices</context> <raw_text>0 使用美国运通商业白金卡迈出您的下一步。在amextravel.com上预订航班和预付酒店可赚取五倍会员奖励积分。凭借入会前三个月内在卡上消费20,000美元即可获得150,000积分的欢迎优惠，您的业务可以攀登新的高峰。适用条款。了解更多信息，请访问americanexpress.com/business-platinum。美国运通商业白金卡。由美国运通打造，专为企业而生。

嗨，我是克拉拉·莫斯科维茨，《科学美国人》的太空和物理学高级编辑。像许多孩子一样，我曾经梦想成为一名宇航员。虽然我从未进入太空，但我《科学美国人》的工作给了我最好的替代品。

通过故事探索宇宙，并与像您一样的科学爱好者分享它的奇迹。当我研究一个故事时，我会全身心地投入到报道中，为您带来激动人心且准确的描述。多年来，我报道了令人惊叹的火箭发射，参观了智利的世界上海拔最高的望远镜之一，甚至还接受了亚轨道太空飞行的训练。我喜欢采访那些正在探索宇宙奥秘的科学家，

如果您想直接从专家那里了解暗物质的秘密，请于4月9日加入我和理论物理学家凯瑟琳·苏黎世的现场对话。今天就访问sciam.com/getsciam订阅《科学美国人》，参加此活动并探索我们广阔而美丽的宇宙。

嘿，我是瑞秋，我现在穿着兔子服在麻省理工学院纳米中心，和布洛维奇教授一起参观。很高兴您能来这里。感谢您的到来。这个空间的目标是让任何人都能建造他们想要的任何东西。

嘿，还是瑞秋，但我现在在《科学美国人》的录音棚里。正如您刚才听到的，今天的节目与我们标准的格式略有不同。我们一路来到马萨诸塞州剑桥市，探索麻省理工学院最先进的纳米技术实验室。您会注意到我们的音质比我们通常的标准略低，但这仅仅是因为我们被实际从事实际科学的科学家包围着。

当然，还有他们所有的排气扇和通风橱。如果您想查看我们在今天的节目中讨论的所有很酷的东西，包括当然是我穿着完整的兔子服，您可以查看我们YouTube频道上的视频版本。您会在我们的节目说明中找到指向该视频的链接。好的，让我们回到我们被大型科学机器包围的沉浸式舱中。

您刚才开玩笑说，如果您有过敏症，这里就是您的最佳去处。我对尘螨过敏，我注意到我的呼吸比平时更顺畅。我很高兴您这么说，因为您是对我们数值计数的真实证明，因为我们确实持续控制着粉尘颗粒计数。我们会加快和减慢净化风扇的速度，以确保我们达到100级或更高等级。这意味着在一立方英尺的空气中，

有100个大于半微米的颗粒。你的头发有75微米宽。因此，半微米是您头发厚度的150分之一。大于此的任何东西，我们都不希望在一立方英尺内有超过100个这样的颗粒。哇。外面呢？

在这个洁净室之外，在一立方英尺的空气中，你会发现一百万个这样的颗粒。- 哇。- 因此，对于每10,000个颗粒，只有一个保留下来。我们做到这一点的方法实际上非常简单。您只需将这个房间的所有空气每15秒更换一次即可。

就是这样。粗略地说，每小时大约250次空气交换。告诉我你们在这里做的需要这种清洁度的事情是什么。如果您观察尘埃颗粒，它通常是微米大小的。一微米是一千纳米。

如果我要塑造纳米级结构，我不想被尘埃颗粒的大小所迷惑。从纳米级发现的角度来看，尘埃就像巨石，我需要确保避免它。这些套装以及我们清洁空气并使其清新宜人的方式确实是为了避免任何这些灰尘

意外地进入我们的实验，从而使我们感到困惑。并且存在很多意外污染的可能性，因为这里有很多人工作。你能告诉我，你知道，有多少人在这里进行实验吗？当然可以。好吧，我们在整个设施中大约有1500人。现在，他们不是每天都在这里，但他们确实会来这里完成他们的工作

也许五分之一的麻省理工学院的研究都依赖于这个设施，从微电子学到医学纳米技术的研究元素

重新思考下一个量子计算是什么样的不同方法。所有这些都是我们需要发现的非常重要的元素，但我们需要在纳米尺度上探索所有这些元素才能获得最终的性能。在纳米尺度上进行研究有什么重要和令人兴奋的地方？纳米尺度是您每天都会体验到的东西，但您并不经常这样想。当您早上醒来，冲一杯咖啡并闻到它的香味时，我可以问您，为什么您能闻到它的香味？

好吧，一些东西离开了咖啡杯，到达了你的鼻子。那么，是什么离开了咖啡杯呢？它是一个分子。大小为一纳米的分子会携带气味。它越小，挥发性就越强，因此它会携带气味。如果我能闻到它，那就意味着我的鼻子充满了纳米级受体。

我被设计成体验纳米级。同样，当我的眼睛被光线激发时，我眼睛后面收集光线的分子有多大？答案是一纳米。如果我继续问你是什么让我能够在触摸皮肤时感觉到，那么，那就是我细胞中离子通道的打开和关闭使我细胞的pH值略有不同。这些离子通道有多大？

只有几纳米大小。我的DNA有多宽？两纳米。当你服用药物时，嗯，布洛芬，布洛芬分子有多大？大约一纳米。维生素A、B、C和D呢？一到两纳米。无论你转向哪个方向，无论你试图探索我们是谁的哪个元素，你都会意识到它是在纳米尺度上构建的。而我们直到最近才拥有真正看到纳米尺度的工具。

并通过这种方式推断所有这些物理过程是如何发生的，以及如果它们可能受到伤害或可能需要某种改进，我们该如何帮助它们。

并通过这种方式，重新发现一种全新的思考下一套技术可能是什么样的方法。因为一旦你看到纳米尺度，你就会意识到你错过了很多可能打开全新机遇视野的新事物。你说我们直到最近才能够从科学上探索纳米尺度。你能给我更多关于这些工具有多新的背景信息吗？当然。好吧，

人类第一次看到原子，实际上拍摄了原子的照片并说：“哇，这看起来真的很漂亮”，是在20世纪80年代末。您可以想象使用这种名为扫描隧道显微镜的仪器。当他们用这种非常尖锐的原子级探针观察到那个原子并看到它时，

我们所有人都在说：“哇，我想这样做。”所以也许在90年代中期十年后，我们都有了这些仪器，我们可以开始玩耍并看到纳米尺度。我们并没有真正发现任何新东西。我们只是观察我们知道应该存在的东西，但以前从未见过。在此之前，我们对纳米尺度的许多理解都是推断。一定有原子。纳米尺度一定是由于我们观察到的所有其他现象而以这种方式形成的，但是看到它们，哦，我的天哪。

这改变了我们思考的方式，到21世纪初，我们开始学习如何移动原子量子围栏，并且通过这种方式，哦，我们现在可以塑造纳米尺度了，我们现在真的像这样塑造五、十、二十个原子，我们想要它们，并且塑造这20个原子可能需要几天时间，但我们第一次开始探索它的机会

与此同时，我们正在开发诸如有机LED（OLED）之类的技术，这些技术使用一纳米大小的分子，不是作为我们食用的东西，而是作为可以发光并可以开始充当半导体的东西。通过像这样的表征工具集进行纳米级探索与这种全新的纳米结构电子学和光子学领域的出现之间的这种融合

使我们能够说这是真实的。在电子领域，在医学领域的并行发展中，以及我们可以通过使用碳纳米管和纳米线以及位于外部的小配体来捕捉这些分子并以某种方式改变这些纳米线的性能，从而从空气中检测各种分析物的方式中，有很多机会。

这一切都是新的，而且仍然非常新，因为事实证明，我们在实验室中做出的任何发现都需要大约十年时间才能让一百万人掌握。从未在更短的时间内完成过。我向您描述的所有内容都是2010年、2015年、昨天根据构建新想法的规模出现的想法。我们正处于纳米时代的黎明

这要感谢我们周围的工具。这些工具可以根据您的意愿塑造纳米尺度。然后在麻省理工学院纳米中心的地下室，我们拥有最精美的成像工具来观察纳米尺度。最重要的是，我们拥有允许我们将视觉、形状打包成一项技术的设施，然后可以将其交给其他人，让他们掌握在手中，创办公司，或者确实让社会真正受益于这些技术。

纳米尺度的具体体现，然后转化为真实的物理对象。为了让我们的听众和观众了解这里实际发生的事情，您能否告诉我们一些帮助我们研究纳米世界工具？有一些非凡的显微镜可以让我们看到原子尺度以下的原子。

因此，像差校正透射电子显微镜就是其中之一。听起来真的很酷，很多词组合在一起。或者低温透射电子显微镜。TEM本身就是非凡的工具。它们使用电子而不是光子来观察你周围的世界。每当你拍照时，你真正看到的都是光子从物体上反弹到你的相机，而你的相机记录了从物体上反弹的光子。

而你能用光子看到的最小物体取决于光子的波长。蓝光大约是400纳米，所以也许它的一半是你能用蓝光看到的最小物体。我需要波长更小的物体。电子像光子一样具有波长。我们不经常这样想，但是

我们可以谈论光子是粒子或波。电子也是粒子或波。只是它们的波长非常小。埃大小，纳米的一小部分。所以让我用电子作为要照射到我的物体上的东西，将它们反弹回来，并用电子相机收集它们。

这就是透射电子显微镜的作用。它们有一个发射电子的电子枪和准直光束。它穿过样品，并用相机收集任何可以穿过的电子。因此，您可以看到原子的阴影。没有到达相机的电子是被弹开的电子。但是到达的电子是告诉你原子周围外围的电子。令人难以置信的强大技术。

如果你能保持这些电子非常非常直，并且保持你的样品非常非常静止，并对一些错误进行数值校正，你可以获得远低于原子尺度的分辨率。我们轻松看到的最小特征大约是所谓的60皮米。如果需要，我们可以下降到甚至30皮米的尺度。

或者，如果您有一个柔软且四处摆动的生物物体，您实际上无法考虑在纳米尺度上看到它。你可以。事实证明，你可以取下你想要测量的蛋白质或细胞元素，将其冷却下来以停止摆动，将其玻璃化。玻璃化是一个冷却过程，速度如此之快，以至于水没有机会凝固，因此不会破坏你正在观察的任何东西的壁。

一旦你有了这个冷冻物体，低温冷冻物体，你就可以把它放在低温透射电子显微镜里。事实上，让我们制作10,000份这个物体的副本，将它们散开，然后继续用电子照射它们。不是很多电子，因为它们会破坏生物学，而只是一点点。你会得到这些物体的10,000次微弱的阴影图像。

每个物体在您成像的表面上的不同姿势中略微不同地放置。所以现在你有10,000个淡入的阴影。哇。花一天时间用数值模拟什么物体可以给你那些特殊的阴影。

你可以重建蛋白质的三维形状，精确到纳米尺度。- 哇。- 从那里，学习布洛芬也许有一天，它如何真正附着在蛋白质上以帮助它？我们需要看到纳米尺度才能理解我们是如何组合在一起的，因为非常简单地说，你每个细胞中的DNA恰好是完全相同的。然而，你的一些细胞选择成为脑细胞、皮肤细胞、心肌细胞。

是什么原因？事实证明，DNA序列非常重要，但它也是DNA的扭曲。

我的DNA的哪个部分有什么扭结会使它的某些部分活跃而某些部分不活跃？我需要看到这一点。而唯一能看到这一点的方法就是使用这些纳米级研究。如果我有了这种理解，也许我可以治愈以前无法治愈的疾病。是的，非常酷。你这里也有制造工具，对吧？人们在纳米尺度上建造什么样东西？当然。你被它们包围着。

因此，您周围的仪器允许您根据自己的意愿塑造纳米尺度。这些是光刻工具集。请注意，这里的灯光略微偏黄，在那里甚至更黄。这是因为我们用于光刻的所有光通常都在光谱的蓝色端或紫外线端。为了避免多余的蓝光干扰我们，我们取一个白炽灯泡，从中去除蓝色，

你剩下的就是你周围看到的琥珀色灯光。因此，你唯一能看到蓝光或紫外线的地方是在这些工具内部。这些工具本身会直接写入您的材料。现在，它们是如何书写的？它们有不同的方法。基本上，它们要么凿掉你的材料

通过照射特定红外色的极其明亮的光线来获得你的特定物体，或者它们将蓝光照射到所谓的抗蚀剂上，抗蚀剂会改变暴露分子的化学稳定性，并且暴露的分子可以例如被冲洗掉，留下未曝光的分子在晶圆上，任何显示光的地方现在都成为一个沟槽，并且该沟槽会暴露我的样品，并且该样品现在以沟槽的形状可以被图案化或成形或类似

这种方法对哪些材料和物体有用？因此，正如我向您描述的那样，光刻法可以用于您想要的任何工艺材料。您最常发现它的地方，比如说，在硅上，因为许多人确实使用硅。

但各种化合物半导体也是如此，二维材料也是如此，现在它使我们能够重新思考电子学。或者让我们超越。如何处理超导材料？需要冷却才能显示这种称为超导性的物质状态的材料，这使我们能够有一天制造出非常高效的量子位元，量子位电路。

在这一点上，我们有能力制造这些电路的小版本，并且我们对如何获得更大的电路有展望。当我们这样做时，哇，我们将拥有不同类型的计算，对于当今基于当前数字电子的能量或速度根本无法解决的一些问题，它将更加强大，更加有效。

因此，我们真正探索纳米尺度的能力是如此之新。我们一直在学习新东西。您认为由于这项研究，未来几年会发生什么变化？好吧，你确实在不断地体验它。我们通常将手机握在手中，然后几年后更换它，期望下一部手机会更好。我们并没有真正

为那些想出如何在你的相机上挤进另一组像素并使你的屏幕颜色更具视觉吸引力的工程师举行游行和大量的欢呼，同时在其中包含17个不同的频段，它们可以通过不同的方式与蓝牙或5G、6G及以后进行通信。

我们每天都掌握在手中的每一次进步都是因为对纳米尺度的进一步了解，这使我们能够使这项技术更加强大。即将出现的事情，很多很多，很多分子钟，几乎与原子钟一样好的钟，一个世纪只损失一秒，

而且足够紧凑，能量足够低，可以存在于任何电子设备上。这将使我们能够像以前从未有过的那样同步技术，这将使我们能够使通信更快。我们今天对太阳能技术的想法是问，我能买一块大的两米乘两米的板子，里面装满了硅晶片，重约25公斤，50磅吗？

那是昨天的技术。我认为它非常类似于太阳能时代的真空管。太阳能时代的全新晶体管时代将是薄如织物的太阳能电池，可穿戴，易于部署，面积很大，因为它们很轻，不断改变制造、快速部署以及我们所知的地球的脱碳模式。

有很多这样的机会，以及更多我们可以瞄准的机会。在这一点上，未来是通过纳米尺度构建的。我们才刚刚开始纳米时代。超级令人兴奋。好吧，非常感谢您与我们讨论纳米技术并带我们参观。这个地方真的很酷。谢谢。感谢您的光临。我期待再次见到你。是的。

这就是今天的节目全部内容。别忘了查看我们YouTube频道上的视频版本。我们将在周一发布每周新闻综述。科学速递由我瑞秋·费尔特曼以及丰达姆·翁吉、凯尔索·哈珀、奈玛·马西和杰夫·塔尔维西奥制作。谢伊娜·波西斯和亚伦·沙特克负责我们节目的事实核查。我们的主题音乐由多米尼克·史密斯创作。订阅《科学美国人》，获取更多最新和深入的科学新闻。

对于《科学美国人》，这是瑞秋·费尔德曼。祝您周末愉快。本集由环球影业为您呈现。今天就是这一天。来自环球影业和布鲁姆豪斯，来自《浅滩》导演的恐怖风暴，《院子里的人》。别让她进来。她从哪里来？她想要什么？她什么时候离开？《院子里的人》。

在影院上映。