Drei nehmen sich der Materialien von morgen an

Werfen Sie einen Blick in die Labore von drei MIT-Forschern, deren Arbeit die Art und Weise, wie Ingenieure entwerfen und bauen, verändern könnte. Zwei erfinden neue Materialien und einer entwickelt Möglichkeiten, das Aussehen von Materialien zu aktualisieren, sodass sie aufgefrischt statt ersetzt werden können. Technik wird vielleicht nie mehr dieselbe sein.

Die von Ritu Raman konstruierten Muskelzellen ziehen sich als Reaktion auf Licht zusammen – und könnten zu biologisch basierten Robotern führen, die sich an ihre Umgebung anpassen oder sich nach einem Unfall selbst reparieren.

Ritu Raman reibt ihre behandschuhten Hände mit Ethanol ein und greift in einen Inkubator von der Größe eines Minikühlschranks, um ein Tablett mit Petrischalen herauszuholen. Die Schalen enthalten durchscheinende, U-förmige 3D-gedruckte Gerüste. Und auf diesen Polymerskeletten wachsen kleine rosafarbene Bänder aus Muskelzellen.

Sie geht in den Raum nebenan, wo über dem Geschirr eine Glasfaserleuchte angebracht werden kann, die blaue Lichtimpulse aussendet, die zu hell sind, um ohne Schutzbrille gesehen zu werden. Raman erklärt, dass die Zellen, die aus einer ursprünglich von Mäusen stammenden Linie stammen, biotechnologisch so verändert wurden, dass sie sich unter einem solchen Leuchten zusammenziehen; Das pulsierende Licht wirkt wie ein persönlicher Trainer und regt sie zum Training an. „Sie wohnen dort drüben und kommen dann hierher, um ins Fitnessstudio zu gehen“, scherzt sie.

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Ingenieure mit biologischen Materialien experimentiert, da das Biohybrid-Design einen deutlichen Vorteil gegenüber dem Bauen aus Kunststoff oder Stahl bietet: Lebende Zellen können wachsen, sich verändern und anpassen. Raman, ein britischer (1961) und Alex (1949) d'Arbeloff Career Development Assistant Professor für Maschinenbau, leitet ein Labor, das sich auf die Entwicklung adaptiver biologischer Materialien konzentriert, die sich die Fähigkeit der Zellen zunutze machen, Signale wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren Indem sie misst, wie sich lichtinduzierte Aktivität auf ihre biotechnologisch hergestellten Zellen auswirkt, kann Raman eine bessere Vorstellung davon bekommen, wie sich biohybride Roboter eines Tages an unbekanntes Terrain anpassen könnten.

„Es gibt mehrere Dinge, die sich ändern können, wenn man trainiert“, sagt sie. Bestimmte Arten von Muskelfasern können beispielsweise nur geringe Lasten tragen, dafür aber über einen längeren Zeitraum; andere können viel höhere Kräfte aushalten, ermüden aber schnell. Welche Muskelfasern stärker werden, hängt davon ab, welche Art von Übung der Muskel durchführt. Raman stellt sich einen biohybriden Roboter vor, der aus der Ferne arbeiten soll und von einer „Batterie“ aus Zucker und Aminosäuren angetrieben wird. Er könnte so konzipiert sein, dass er die richtigen Muskeln für die jeweilige Aufgabe entwickelt und sich sogar selbst repariert, indem er bei einem Unfall oder Sturz beschädigte Teile nachwächst.

„Wenn ich wollte, dass ein Roboter durch den Raum geht, der eine relativ kontrollierte Umgebung mit konstanter Temperatur und allem anderen ist, könnte ich einfach einen normalen Roboter zu geringen Kosten bauen“, sagt sie. „Aber in einer unvorhersehbaren, dynamischen Umgebung weiß ich möglicherweise nicht, wie stark es sein muss oder welche Gefahren vorhanden sein könnten. Wenn es verletzt wird, kann ich es nicht heilen, also muss es dazu in der Lage sein.“ sich zu erholen und anzupassen.“

Raman wuchs in Indien, Kenia und den USA als Tochter eines Chemieingenieurs und eines Maschinenbauingenieurs auf. Als ihre Eltern an der Lösung realer Probleme arbeiteten, erkannte sie die unmittelbaren Vorteile, die die Technik mit sich bringen konnte; Sie erinnert sich, wie ihr Vater in ländlichen Dörfern Kommunikationstürme installierte. Als Maschinenbaustudentin an der Cornell University belegte sie zufällig einen Biomechanikkurs und war sofort begeistert. „Es war das erste Lehrbuch, das ich in meinem ganzen Leben wirklich gerne gelesen habe“, sagt sie.

Nicht, dass Biologie immer Spaß gemacht hätte. Als Laborassistentin arbeitete sie in einem Labor, das maß, wie sich Alkohol und Bewegung zusammen auf Ratten auswirkten. „Ich war in einem Keller mit betrunkenen Ratten auf Laufbändern, die nicht laufen wollten“, sagt sie. "Es war schrecklich!" Nach und nach faszinierte sie jedoch, wie sich Körper und Verhalten der Tiere als Reaktion auf ihre ungewöhnliche Umgebung veränderten: „Ich dachte, das eine ist so stämmig, das eine ist stark und das hat gelernt, wie man das Laufband zum Laufen bringt.“ Er muss also nicht rennen. Nichts, was wir bauen können, ist so intelligent und anpassungsfähig wie lebende Systeme.“

Raman überführt flüssige Zellkulturmedien (links) in eine Flasche mit lebenden Zellen. Ihre künstlichen Muskelzellen werden durch Lichtblitze dazu veranlasst, sich zusammenzuziehen oder zu „trainieren“.

Raman untersuchte weiterhin, wie sich lebende Systeme anpassen, während ihres Doktoratsstudiums an der University of Illinois, wo sie an einer durch ein großes Stipendium der National Science Foundation finanzierten Arbeit teilnahm, um zu untersuchen, wie Muskeln wachsen und sich selbst heilen können. Normalerweise kontrahieren Muskelzellen als Reaktion auf elektrische Signale, die von Nerven über einen spannungsgesteuerten Ionenkanal in der Zellmembran gesendet werden. Raman wollte stattdessen Muskelzellen entwickeln, die sich als Reaktion auf Licht zusammenziehen. Deshalb arbeitete sie mit Roger Kamm, SM '73, PhD '77, einem MIT-Professor für Biologie und Maschinenbau, zusammen und nutzte Gentechnik, um in Muskelzellen von Mäusen einen lichtgesteuerten Ionenkanal einzubauen, den andere aus Grünalgenzellen entwickelt hatten. Sie zeigte, dass sie die Zellen stärken und sich von Schäden erholen konnte, indem sie in regelmäßigen Abständen Licht auf die Zellen richtete, um sie dazu zu bringen, sich immer wieder zusammenzuziehen und wieder freizugeben.

Als Postdoktorandin am MIT mit dem Bioingenieur-Pionier Robert Langer demonstrierte sie dies an einem lebenden Tier. Nachdem sie ein Muskelstück aus dem Bein einer Maus entfernt hatte, implantierte sie den künstlichen lichtempfindlichen Muskel an der Verletzungsstelle und regte ihn zum Training an, indem sie Licht durch die Haut scheinen ließ. „Eine Woche nach der Schädigung erlangten die Mäuse ihre Beweglichkeit vollständig wieder“, sagt sie.

Seit ihrem Eintritt in die MIT-Fakultät im Herbst 2021 hat sie begonnen, an der Optimierung der Trainingsprogramme zu arbeiten, die für den Aufbau der für bestimmte Aufgaben am besten geeigneten Muskeln erforderlich sind – und herauszufinden, wie dieser Prozess durch Manipulation von Dingen wie der Helligkeit und dem Timing des Lichts gesteuert werden kann Impulse. Ihr Labor experimentiert auch mit anderen Methoden zur Steuerung von Muskelzellen, einschließlich der Integration von Neuronen in das Gewebe, um deren Steuerung in einem Organismus nachzuahmen.

Schließlich wäre sie daran interessiert, weiche, muskelbetriebene Roboterwerkzeuge zu entwickeln, die präziser wären als die Metallwerkzeuge, auf die sich Chirurgen derzeit verlassen. Größere Roboter aus lebenden Zellen könnten in anspruchsvollen Umgebungen arbeiten und beispielsweise um ein Wasserfiltersystem herumkriechen, um Kontaminationsquellen zu entfernen. „Stellen Sie sich vor, der Roboter könnte andere Zellen transportieren, die Chemikalien oder Proteine ​​produzieren, um ein Toxin zu neutralisieren“, sagt Raman. „Es geht also nicht nur um Bewegung, sondern auch darum, auf andere Weise wahrzunehmen und darauf zu reagieren.“

„Wir versuchen nicht, die Materialien zu ersetzen, mit denen Ingenieure normalerweise bauen“, sagt sie. Sie möchte vielmehr, dass die nächste Generation lebende Zellen als etwas anderes betrachtet, das sie nutzen kann.

Stefanie Mueller stellt sich eine Welt vor, in der Sie die Farbe Ihrer Schuhe so einfach ändern können wie einen digitalen Avatar.

Wenn Sie auf der Suche nach einem neuen Auto sind, können Sie oft online eine andere Farbe „lackieren“, um herauszufinden, welche Ihnen am besten gefällt. Aber was wäre, wenn Sie das im wirklichen Leben tun könnten – und die Farbe Ihres Autos entsprechend Ihrer Stimmung ändern könnten? Stefanie Mueller, TIBCO Career DevelopmentAssociate Professor für EECS mit einer gemeinsamen Berufung im Maschinenbau, arbeitet daran, dies zu ermöglichen. „Die Hauptvision unseres Labors“, sagt Mueller, „besteht darin, physischen Objekten digitale Fähigkeiten zu verleihen.“

Mueller, der die Human-Computer Interaction Engineering Group des MIT leitet, hat eine Technik entwickelt, die lichtaktivierte Tinten, sogenannte photochrome Farbstoffe, verwendet und die Farbe eines Objekts in nur wenigen Minuten ändern kann. Sie sitzt auf einer schwarzen Ledercouch in ihrem Büro im Stata Center und ruft ein Video auf, um es zu demonstrieren. Ein 3D-gedrucktes Modell eines Chamäleons befindet sich in einer Glasvitrine. Wenn ein Projektor Licht darauf wirft, weicht ein weiß-braunes Zebrastreifenmuster einem mehrfarbigen Schachbrettmuster.

„Das ist das gleiche Objekt“, sagt sie. „Wir sprühen unser intelligentes Material mit einer Airbrush darauf, und sobald es aufgetragen ist, projizieren Sie etwas Licht darauf und können sein Aussehen neu programmieren.“ Das Farbmuster verschwindet nicht, wenn das Licht aufhört zu scheinen; Es bleibt bis zu 26 Stunden bestehen, oder bis ein neues projiziert wird. Muellers Schwerpunkt liegt nicht so sehr auf der Entwicklung neuer Materialien – photochrome Farbstoffe gibt es schon seit Jahrzehnten –, sondern vielmehr auf der Entwicklung neuer Prozesse und Techniken, um mit bestehenden umwerfende neue Effekte zu erzielen.

Diese Technik, die sie Photo-Chromeleon nennt, nutzt photochrome Farbstoffe in Gelb, Cyan und Magenta. „Es ähnelt der Funktionsweise Ihres Tintenstrahldruckers“, sagt Mueller. Photochrome Farbstoffe können eingeschaltet (bei Einwirkung von UV-Licht) oder ausgeschaltet (bei Einwirkung von Licht einer bestimmten Wellenlänge im sichtbaren Spektrum) werden. Die drei Farbstoffe werden zu einem transparenten Lack gemischt, der per Airbrush auf ein Objekt aufgetragen wird. Um ein mehrfarbiges Design zu erzeugen, werden alle drei Farbstoffe mit UV-Licht aktiviert, wodurch das Objekt schwarz wird. Anschließend werden die Farbstoffe selektiv deaktiviert, indem Licht bestimmter Wellenlängen auf die gefärbte Oberfläche gestrahlt wird. Da die Wellenlängen von rotem, grünem und blauem Licht Cyan, Magenta bzw. Gelb deaktivieren, kann ein Standard-Büroprojektor mit roten, grünen und blauen LEDs zur Steuerung aller drei Farbstoffe verwendet werden. Beispielsweise deaktiviert die rote LED Cyan und lässt Magenta und Gelb übrig, die zusammen Rot erzeugen. Indem er Pixel aus rotem, grünem und blauem Licht auf ein Objekt projiziert, kann Mueller es mit sehr hoher Auflösung „malen“. Und durch die Anpassung der Belichtungsdauer an die unterschiedlichen Wellenlängen lassen sich Zwischenfarben erzielen. Das Verfahren könnte bei einer Reihe von Objekten angewendet werden, darunter Smartphone-Hüllen, Schuhe und T-Shirts.

Obwohl die Farbe derzeit bei Sonneneinstrahlung innerhalb weniger Stunden verblasst, arbeitet Muellers Team daran, winzige LEDs in ein flexibles Substrat einzubetten, um Textilien herzustellen, die die Designs durch Auffrischung der photochromen Partikel bewahren könnten.

Mueller stellt sich eine Zeit vor, in der wir keine neuen Dinge kaufen müssten, um unseren Stil zu ändern. „Vielleicht wird Ihnen ein Schuhunternehmen in Zukunft einen Schuh kostenlos zur Verfügung stellen“, sagt sie, „aber Sie erhalten ein Abonnement für eine App und laden Muster herunter“ – Muster, die Sie auf den Schuh anwenden können. (Ihr Labor entwickelt einen tragbaren Reprogrammierer, der überall eingesetzt werden kann, um Designs aufzufrischen oder zu aktualisieren.) Die Technologie ermöglicht es den Menschen nicht nur, ihren Stil genauso einfach zu ändern wie einen digitalen Avatar, sondern könnte auch den Abfall reduzieren.

„Im Moment verdienen Unternehmen Geld, indem sie einen Trend aktualisieren, sodass Sie mehr Dinge kaufen – weil sie mit demselben Artikel kein weiteres Geld verdienen können“, sagt Mueller. Dieser Prozess würde jedoch ihre Anreize umkehren und es lukrativer machen, nichts Neues herzustellen. „Sie könnten den neuen Trend einfach dadurch zum Ausdruck bringen, dass sie Ihnen ein Muster verkaufen, das Sie freischalten können. Sie müssen Ihnen nicht physisch etwas Neues geben.“

Mueller, die in Deutschland aufgewachsen ist und am Hasso-Plattner-Institut in Potsdam Informatik studiert hat, arbeitete Anfang der 2010er Jahre an ihrer Doktorarbeit, als billige 3D-Drucker auf den Markt kamen. Sie war fasziniert von der Idee, die Maschinen zu hacken, um beispielsweise mit verschiedenen Materialien zu drucken. Das brachte sie dazu, darüber nachzudenken, wie die Materialien selbst verändert werden könnten, um physischen Objekten neue Fähigkeiten zu verleihen. Das Computer Science & Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT, dem sie 2017 beitrat, passte aufgrund seines interdisziplinären Charakters perfekt dazu.

Bei Muellers „Photo-Chromeleon“-Technik kann projiziertes Licht verwendet werden, um das Aussehen eines mit einer Mischung photochromer Farbstoffe beschichteten Objekts zu steuern. (Fotos mit freundlicher Genehmigung des Forschers)

Um beispielsweise ihre farbverändernden Gegenstände herzustellen, „muss man das Material entwickeln, dieses Material auf Objekte auftragen und einen Algorithmus erstellen, der berechnet, wie lange man jedes Pixel mit Licht beleuchten muss – man braucht also diese drei Hardwarekomponenten.“ , Materialien und Algorithmen“, sagt sie. „Wenn man einen davon verpasst, wird es nicht funktionieren.“

Eine andere Technik, die Mueller und ihre Doktoranden als Prototypen entwickeln, nutzt einen doppelbrechenden Film, der je nach Polarisation des Lichts sein Aussehen ändert. „Das hört sich wirklich schick an, aber im Grunde ist es wie eine Lebensmittelverpackung“, sagt sie. Indem sie diesen Film in bestimmten Mustern schichtet und dann einen Polarisationsfilter anwendet, der denen auf Sonnenbrillen ähnelt, kann ihre Gruppe Objekte schaffen, die ihr Aussehen ändern, wenn ein Zifferblatt gedreht wird. Beispielsweise kann eine Karte oder ein anatomisches Modell zu Lehrzwecken unterschiedliche Farben annehmen.

Zu weiteren Projekten gehört die Entwicklung von Benutzeroberflächen, die auf Oberflächen gesprüht werden können. Durch die Schichtung leitfähiger metallischer Tinte, eines Dielektrikums, eines Leuchtstoffs, Kupfers und eines transparenten Leiters entstehen Sensoren und Anzeigen wie etwa ein Dimmerschalter, den Menschen bedienen können, indem sie mit der Hand über die Wand streichen. „Sie könnten es als Schieberegler verwenden, um die Farbe oder die Helligkeit einzustellen“, sagt Mueller. Ein transparentes, leitendes Material, das auf die Kissen einer Couch aufgetragen wird, kann erkennen, wenn jemand darauf sitzt. In einem Projekt wird dadurch ein Fotoalbum auf einem nahegelegenen Bildschirm geöffnet, durch den gescrollt wird, indem mit der Hand über transparente Elektroden gewischt wird, die auf die Armlehne der Couch gesprüht sind.

Wie die meisten Projekte, die Mueller verfolgt, übertragen diese die Dinge, die man auf einem Computer tun kann, in die physische Welt. Aber allgemeiner gesagt ist sie immer auf der Suche nach dem „Wow“-Faktor. „Wenn man sich ein Projekt anschaut und denkt: ‚Wow, ich kann wirklich sehen, wie es die Welt verändert‘, dann möchte man mehr darüber wissen, auch wenn man es nicht versteht“, sagt sie. „Wir versuchen, Ideen auszuwählen, die eine große Vision haben und die zunächst die Leute anziehen, damit sie Freude daran haben. Dann können wir über alle wissenschaftlichen und technischen Details sprechen.“

Präzise im Nanomaßstab entworfene Materialien könnten spannende Anwendungen haben – wenn sie so groß skaliert werden, dass daraus nützliche Objekte entstehen. Carlos Portela entwickelt neue Materialien und Techniken, um sie auf der Makroskala herzustellen.

Wenn Ihnen ein Keramikbecher auf den Boden fällt, besteht eine gute Chance, dass er zerbricht. Wenn das gleiche Keramikmaterial jedoch extrem dünn ist, passiert etwas Seltsames, wie Carlos Portela anhand eines Videos demonstrieren kann. Auf seinem Bildschirm ist ein Würfel mit einer Kantenlänge von nur 120 Mikrometern zu sehen – Eierschalen sind im Vergleich dazu dick –, der aus einem Netzwerk miteinander verbundener Keramikschalen besteht. Portela, ein britischer (1961) und Alex (1949) d'Arbeloff Career Development Assistant Professor für Maschinenbau, zeigt auf eine der Schalenwände. „Das ist nur 11 Nanometer dick“, sagt er. Das entspricht einer Breite von etwa 30 Atomen. „Ich werde [den Würfel] auf die Hälfte seiner Höhe komprimieren“, fügt er hinzu. „Was würden Sie von der Keramik erwarten?“

Jeder vernünftige Mensch würde erwarten, dass es in hundert Teile zerbricht. Aber wenn eine Last den Würfel zusammendrückt, knickt er ein und wirft Falten wie ein Schwamm; Bei Entlastung springt der Würfel wieder in seine Form zurück. „Das ist im Grunde das gleiche Material wie eine Kaffeetasse“, sagt Portela grinsend und deutet auf eine auf seinem Schreibtisch. „Und bemerkenswerterweise sehen wir nicht einmal Risse.“ Es ist wie eine völlig neue Substanz.

In der gesamten Menschheitsgeschichte hatten die Materialien, aus denen wir gebaut haben – Stein, Metall, Keramik, Kunststoff und Schaum –, eine relativ begrenzte Bandbreite an physikalischen Eigenschaften, sagt Portela. Um eine wünschenswerte Immobilie zu erhalten, müssen Bauherren oft Kompromisse bei einer anderen eingehen. Harte Materialien sind beispielsweise nicht sehr leicht und leichte Materialien sind nicht sehr steif.

Im letzten Jahrzehnt haben Ingenieure jedoch damit begonnen, auf der Nanoskala neue Materialien zu entwickeln, die wünschenswerte Eigenschaften vereinen, die noch nie zuvor zusammen gefunden wurden. Sie werden als Architekturmaterialien oder Metamaterialien bezeichnet und sind Kombinationen von Materialien mit bekannten Eigenschaften, beispielsweise Keramik und Polymere. Durch die Manipulation ihres Aufbaus auf der Nanoskala verhalten sie sich jedoch völlig anders als ihre bekannten Vorläufer. Portela sagt, dass Kohlenstoffstrukturen sowohl stark als auch energieabsorbierend sein könnten und metallische Materialien superleicht konstruiert werden könnten. Andere Materialien könnten als Linsen dienen, die akustische Wellen fokussieren können. Da der größte limitierende Faktor für Flugzeuge und Raketen das Gewicht der Materialien ist, aus denen sie gebaut sind, könnten neue Materialien, die sowohl stark als auch leicht sind, die Distanz, die sie mit einer bestimmten Treibstoffmenge zurücklegen können, drastisch erhöhen.

Ein silbernes Flugzeugmodell in Portelas Fenster mit Blick auf Killian Court zeugt von seiner frühen Liebe zu Flugzeugen. Er wuchs in Kolumbien auf und wollte Pilot werden. Er studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Southern California und machte seinen Pilotenschein, doch als internationaler Student hatte er Schwierigkeiten, einen Praktikumsplatz bei einem großen Flugzeughersteller zu bekommen. Zu diesem Zeitpunkt war er vom Potenzial der Nanotechnik fasziniert und begann ein Doktorandenprogramm zu diesem Thema am Caltech, wo er 1997 bei Julia Greer studierte, einer Pionierin für architektonische Materialien. Greer experimentierte mit fein kalibrierten 3D-Druckern, um komplizierte Gitter im Nanomaßstab zu erzeugen, die zu Materialien mit neuen Eigenschaften werden könnten. „Ihre Energie und Leidenschaft dafür waren ansteckend“, sagt Portela. „Dadurch habe ich gesagt: ‚Das möchte ich machen.‘“

So revolutionär die Techniken auch sind, so begrenzt sind sie doch auch. Es kann Wochen, wenn nicht Monate dauern, bis ein Drucker einen nur wenige Millimeter dicken Würfel druckt, was das Entwerfen und Erstellen neuer Objekte ermüdend macht. „Für reale Anwendungen muss man ein Nanomaterial herstellen, das groß genug ist, um es in den Händen zu halten“, sagt Portela. Hier kommt seine Forschung ins Spiel. Er hat neue Techniken zur Herstellung architektonischer Materialien entwickelt, von denen einige überhaupt keinen 3D-Drucker erfordern.

Bei einer Technik macht er sich die natürlichen Eigenschaften der Materialien selbst zunutze, indem er zwei Polymere zu einer Emulsion mischt, ähnlich wie das gemeinsame Schütteln von Öl und Wasser. Wenn die beiden Polymere durch Hitzeeinwirkung wieder zu trennen beginnen, bilden sie auf mikroskopischer Ebene auf natürliche Weise ein ineinander verschlungenes Muster. Indem er sie in diesem Moment verfestigt und dann eines der Polymere mit Wasser entfernt, kann er ein unregelmäßiges Netzwerk erzeugen, das genauso kompliziert – und überraschenderweise genauso stark – ist wie ein präzise gedrucktes Gitter. „Wir können das in wenigen Stunden und nicht in Monaten schaffen“, sagt Portela. Anschließend überzieht er seine Struktur mittels Atomlagenabscheidung mit einem ultradünnen Keramikfilm, indem er sie abwechselnd den Dämpfen zweier verschiedener chemischer Reaktanten aussetzt. Das verbleibende Polymer wird dann typischerweise aus der mit Keramik beschichteten Struktur entfernt, indem es Sauerstoffplasma ausgesetzt wird, wodurch es sich zersetzt und nur die starke, poröse Keramikhülle zurückbleibt. Portela sagt, dass seine mit dieser Technik hergestellten zentimetergroßen Proben zu den größten selbstorganisierten 3D-Nanomaterialien gehören, die jemals hergestellt wurden.

Um starkes, aber leichtes Kohlenstoffmaterial herzustellen, druckt Portela ein Polymernetzwerk in 3D, das dann einer Pyrolyse unterzogen wird: Es wird in einer inerten Atmosphäre auf Temperaturen über 1.500 °C erhitzt, wodurch praktisch alles außer seinen Kohlenstoffatomen verbrennt. Dies führt zu einem Masseverlust von etwa 90 % und einer mindestens zehnfachen Erhöhung der Steifigkeit, wodurch starke, aber poröse neue Materialien entstehen. Portela hat auch Muster mikroarchitektonischer gedruckter und pyrolysierter Kohlenstoffmaterialien im Kubikzentimetermaßstab erstellt. Und er arbeitet an noch größeren Objekten.

Portelas Gruppe konstruiert einige ihrer Architekturmaterialien mit einem 3D-Drucker mit nanoskaliger Auflösung, der im MIT.nano untergebracht ist, einer glänzenden 100.000 Quadratmeter großen Anlage, die 2018 fertiggestellt wurde. Und sie verlassen sich auf die Ausrüstung von MIT.nano für die Atomlagenabscheidung und nutzen dessen Elektronenmikroskope um Videos aufzunehmen, während sie ihre Materialien testen. Die selbstorganisierten Materialien hingegen werden in Portelas eigenem Labor in Gebäude 31 hergestellt, wo er und seine Doktoranden zusätzliche mechanische Tests durchführen und Computersimulationen durchführen, um die Eigenschaften der von ihnen hergestellten Materialien vorherzusagen. Sie nutzen auch die konfokalen Lasermikroskope am Institute for Soldier Nanotechnologies des MIT für Aufpralltests. In einem Experiment feuerte seine Gruppe Überschallpartikel auf ein Kohlenstoffstahlgitter ab und zeigte, dass es Stöße um 70 % wirksamer abwehrte als Kevlar. Das eröffnet Möglichkeiten für eine ultraleichte neue Form der Körperpanzerung.

Portela arbeitet außerdem mit seiner Kollegin Ritu Raman, deren Büro nebenan liegt, an architektonischen Materialien, die biologische Komponenten integrieren. Sie hoffen, eines Tages Materialien zu entwickeln, die die physikalischen Eigenschaften menschlicher Haut und Gewebe, die sowohl biegsam als auch stark sein müssen, besser nachahmen könnten. Unterdessen befindet sich Portela in einem frühen Stadium der Entwicklung von Leichtbaumaterialien mit potenziellen Anwendungen im Flugzeugbau sowie von Metamaterialien, die zur Herstellung hocheffizienter Filtersysteme und effektiverer Ultraschallgeräte verwendet werden könnten.

Seine Gruppe befasst sich mit Fragen, die noch niemand zu beantworten versucht hat, weil, wie er sagt, „sie nicht über die richtigen experimentellen Mittel verfügten, um dies zu tun.“

Diese Geschichte war Teil unserer Mai/Juni-Ausgabe 2023.

„Ich habe plötzlich meine Meinung darüber geändert, ob diese Dinger intelligenter sein werden als wir.“

Der Reiz des Arbeitsplatz-Tools geht weit über die Organisation von Arbeitsprojekten hinaus. Viele Nutzer empfinden es als ebenso nützlich für die Verwaltung ihrer Freizeit.

In der Vergangenheit haben Bemühungen zum Erlernen des Codierens nur wenigen Möglichkeiten geboten, doch neue Bemühungen zielen darauf ab, integrativ zu sein.

Hinton wird am Mittwoch bei EmTech Digital sprechen.

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