Breakerspace 照亮材料的奥秘

在麻省理工学院的新实验室和休息室 Breakerspace 开放前几天，演员兼说唱歌手贾登·史密斯 （Jaden Smith） 尝试了该设施的功能，将他的手镯放在数码光学显微镜下。在他面前的屏幕上是编织线的3D渲染图，每根线都由较小的线组成，表面点缀着物质斑点。

“他的眼睛亮了起来，”材料科学与工程系（DMSE）莫顿和克莱尔·古尔德（Morton and Claire Goulder）以及环境系统家庭教授杰弗里·格罗斯曼（Jeffrey Grossman）教授说。史密斯使用鼠标操作的控件来锁定这些股线，将它们放大了 8,000 倍。格罗斯曼回忆说：“四分钟后，贾登说，’这可能是我的下一张专辑封面。

格罗斯曼和史密斯自 2017 年以来一直保持联系，当时这位 19 岁的明星参观了校园并参加了格罗斯曼当时正在教授的 3.091 班（固态化学导论）。当史密斯在十月份打电话说他将在剑桥时，格罗斯曼邀请他试驾 Breakerspace，他将其描述为所有本科生的动手材料探索空间，无论专业如何。

“对世界构成的好奇心超越了所有学科，”格罗斯曼说。“贾登不是材料科学家，但他受到了启发。这个空间有很大的潜力为我们的学生跨学科做到这一点。

格罗斯曼说，Breakerspace配备了显微镜和其他仪器，用于探索材料的成分、结构和行为，是DMSE战略愿景的“皇冠上的明珠”。其目的是突出材料科学与工程——一个跨学科领域，结合化学、物理学和工程原理来理解构成世界的材料——并阐明其影响。

“我们的学科是在原子水平上解开材料的奥秘，然后利用这些知识来解决世界上一些最紧迫的挑战——在能源、制造、计算、医疗保健等方面，”格罗斯曼说，他直到八月才担任DMSE的部门负责人。“Breakerspace 就是要分享这种兴奋和探索。”

闯入 Breakerspace

该设施在夏季建设中，于 11 月 8 日向公众开放，被称为 Breakerday。在三个小时的开幕式活动中，近 300 人穿过 8-102 的大门，这是麻省理工学院最繁忙的大道之一无限走廊上的一个玻璃封闭空间，DMSE 教职员工、讲师和学生演示了他们的能力。

从数码光学显微镜投射出来的墙上的一幅巨幅图像掠过一根羽毛的轴和倒钩。扫描电子显微镜（SEM）扫描物体上的电子束，放大了蚀刻在某人的“黄铜老鼠”（麻省理工学院级戒指）上的波士顿景观。一台拉伸试验机，用于测试材料的强度，非常缓慢地拉开一根金属棒。半圈学生静静地看着机器看了很久，然后一声巨响把这群人吓了一跳。DMSE技术讲师Shaymus Hudson主持了演示，他简明扼要地解释了测试材料如何帮助工程师更好地理解和优化它们。

“如果你能发现金属失效的地方并了解原因，你就可以让它不失效，”哈德森说。

在设施的休息室里，人们排队等候用咖啡馆品质的意大利咖啡机冲泡的浓缩咖啡和美式咖啡。

“休息室为创造性思维和社交活动提供了舒适的环境，”Breakerspace 经理 Justin Lavallee 说。“我认为它将带来比实验室更多的人。我很好奇社区将如何建设，以及休息室将如何推动这一点。

Breakerday 的优质咖啡承诺为 Kaitlyn Li 赢得了交易，Kaitlyn Li 是一名对化学工程感兴趣的一年级学生，化学工程是一个与材料科学和工程相邻的领域。她从一封电子邮件中了解到了 Breakerspace。

“当我读到它和咖啡一起出现时，我想，’这听起来很棒！’“李说。

实践学习

Breakerspace 的想法源于 Grossman 对实践学习的热情。例如，在 3.091 中，麻省理工学院普通学院要求没有实验室组件，格罗斯曼会分发装满材料和工具的礼包，以加强课堂课程。一个包含用于构建各种元素的晶体结构的棒和珠。在一堂课上，格罗斯曼邀请学生在玻璃板上投掷棒球，以了解机械应力对性能的影响。

格罗斯曼说：“当我们能用手玩弄它们时，我们会学习和看待事物，而不是在书中阅读它们或在讲座中听到它们。

当然，在麻省理工学院，动手学习根深蒂固——毕竟，座右铭是“mens et manus”，拉丁语是“头脑和手”的意思——在与工程或其他学科相关的创客空间中寻找购买，用于机器零件和齿轮甚至生物工程项目。材料科学和工程也涉及制造事物，即用于特定应用的新材料，但格罗斯曼希望专注于表征：分析和理解材料的物理特性，了解它们为什么是硬的、软的或可塑的。

“表征在我们理解如何改进加工、改进合成、改变材料结构等方面起着非常重要的作用，最终产生应用所需的特定性能，”DMSE显微镜专家James LeBeau副教授说，他帮助策划了Breakerspace仪器。“而这个空间是特征的核心。”

该设施的名称本身就是对“创客空间”的玩弄，但有一个转折点——学生可以检查、测试甚至打破材料，看看它们是由什么制成的，它们是如何失败的，以及为什么。

表征材料所需的设备范围从数码光学显微镜到以纳米或十亿分之一米为单位的扫描电镜。此外，还需要能够分析材料的机器，例如X射线衍射仪（XRD）和扫描拉曼显微镜，它们可以传达有关材料结构和化学成分的信息。

此外，还提供内容创建工具——带三脚架的相机、麦克风和照明设备——因此学生可以记录他们的实验和分析，并在社交媒体上分享。

之所以选择 Breakerspace 仪器，是因为它们只需很少的培训即可有效操作——Grossman 说，“字面意思是几分钟”——这将在定期安排的培训期间提供。

“所以也许你的口袋里有东西;你想知道它是由什么构成的，或者你想知道它在20纳米长度尺度上的表面是什么样子的。好吧，你可以在这里做到这一点，“格罗斯曼说。

一些学生在设施建设开始之前就很好地锻炼了他们的好奇心。去年，玛丽亚·阿吉亚尔（Maria Aguiar）现在是DMSE的一名大三学生，她将她的猫雕像放入SEM中，发现它的蓝绿色调（氧化铜的特征）实际上是油漆。

麻省理工学院的其他人在 Breakerday 受到鼓励。一位参观者拿出了一台Excedrin平板电脑。格罗斯曼将其置于XRD下，XRD用X射线照亮物体以确定其原子结构。该机器识别了对乙酰氨基酚、咖啡因和其他化合物。

另一名学生喝了一杯苹果酒，这是当天休息室提供的茶点之一。“你能分析一下吗？”他问格罗斯曼。这名学生将手指浸入液体中，然后将其滴入FTIR（傅里叶变换红外光谱的缩写）中;它测量样品材料如何与红外光相互作用。

“瞧，这台机器发现它主要由水组成，然后是一堆糖，”格罗斯曼说。“但这就是重点。这不仅仅是让人们知道如何使用这些工具，而是要对事物的构成感到好奇，并瞥见我们周围看不见的世界。

本科生经历

尽管 Breakerday 欢迎麻省理工学院的每个人，但定期访问是麻省理工学院本科生专属的，确保他们有一个专门的学习、探索和建立社区的地方。格罗斯曼和拉瓦利说，需要表征工具进行研究的研究生和博士后在麻省理工学院有多种途径——例如，他们的导师的实验室，或者像麻省理工学院纳米这样的共享设施。

“对于本科生来说，仅仅作为他们课程经验的补充，去利用这些资源是非常困难的，因为有与之相关的费用——有等候名单、日程安排和政策挑战，以及通常冗长的培训要求，”拉瓦利说。“Breakerspace 并不是我们排除其他社区之外的新功能的大规模创造。它只是以一种精心策划的方式将这些功能组合在一起，以提供给本科生。

对于DMSE大四学生Kirmina Monir来说，获得材料勘探设备是一个吸引人的地方，她接受过操作Breakerspace的SEM之一并教其他人使用它的培训。通常，即使是DMSE学生也有机会仅将这种仪器用作课程的规定部分。

“但是能够走进实验室，在那里使用SEM，或者在那里使用XRD，”Monir说。“这为材料科学打开了非常低的门槛之门。

Breakerday的参观者对此表示赞同。凯特琳·李（Kaitlyn Li）是对化学工程和咖啡感兴趣的一年级学生，她很高兴看到她从高中化学中就知道但从未使用过的机器的演示。

“他们会给我们一个红外光谱，然后问，’这是什么分子’，然后我们必须分析它，”李说，指的是用于红外光谱的图表，该图表测量红外光与物质的相互作用。在拥有自己的光谱仪的 Breakerspace 中，“很高兴看到它在机器上是如何完成的，以及该过程是如何工作的。

安娜·贝克（Anna Beck）和萨曼莎·菲利普斯（Samantha Phillips）是3.001班（材料科学与工程）的一年级学生，他们计划“几乎立即”开始使用实验室进行生物塑料项目。

“我们的计划是用香蕉皮制成塑料，然后在 Instron 机器上进行测试，”Beck 说，他指的是拉伸试验机。

菲利普斯也可能会利用这个空间来探索对某个物体或其他物体的好奇心。“这相当于小时候玩乐高积木，”她说。

超越界限的学习

Breakerspace 主要用于课外本科探索，但也用于教学。甚至在设施开放之前，它就被用于 3.042 班（材料项目实验室），它将成为春季开设的两门新课的背景：一门将由 Grossman 和 Lavallee 教授，3.000（咖啡问题：如何冲泡完美的杯子），利用休息室的咖啡机和现场烘焙机。

“我们认为咖啡将是一种令人兴奋的材料，有很多良好的测试、烘焙和研磨，当然还有材料表征，”格罗斯曼说。

另一门课，3.S06（材料表征导论），由技术讲师Hudson教授，将为学生提供在实验研究中使用显微镜和机械测试设备的经验。

DMSE临时部门负责人Caroline Ross认为，包括在本科生研究项目中，更广泛地融入教育经验。“我们已经计划将这些仪器纳入我们的实验室，我认为将有越来越多的机会将它们用于 UROP 或论文项目或其他任何您可以想象需要分析材料的地方。”

总体而言，DMSE 教职员工希望 Breakerspace 向一年级学生和其他本科生介绍他们很可能在高中时没有学到的学科的神秘、美丽和前景。

“你学习物理、化学、生物学，也许还有这个叫做工程学的东西，”格罗斯曼说。“作为一名大一新生，我真的可以从中受益，不仅听到’材料科学与工程’这个词，而且实际上有一个空间，我可以检查它，看看是什么材料构成了世界。”

在踏入 Breakerspace 之前，一位对这门学科知之甚少的一年级学生是 Alex Wu。然而，一旦他这样做了，他就被迷住了：他接受了SEM的培训，并在Breakerday上为游客做了演示，向他们展示了糖和盐的放大倍数，并要求他们猜测哪个是哪个。

“这是我以前从未接触过的。因此，这是我能够在第一年作为本科生使用的东西，这一事实真是太神奇了，“吴说。

Wu对计算机科学很感兴趣，但现在也在考虑学习材料科学和工程。他想过，在尝试了 Breakerspace 之后，其他一年级学生是否会对材料产生兴趣;然后他的笑容变得灿烂起来。

“我的意思是，这就是发生在我身上的事情。”

要了解有关 Breakerspace 的更多信息、申请进入休息室或预订机器培训课程，请访问 dmse.mit.edu/breakerspace。