副教授羅伯特·麥克法蘭 (Robert Macfarlane) 正在揭示設(shè)計(jì)原則，使研究人員能夠在多種尺寸尺度上微調(diào)材料。

一些研究人員被改進(jìn)特定產(chǎn)品（如電池或半導(dǎo)體）的追求所驅(qū)使。其他人的動(dòng)機(jī)是解決特定行業(yè)面臨的問題。麻省理工學(xué)院的 Paul M. Cook 材料科學(xué)與工程副教授羅布·麥克法蘭 (Rob Macfarlane) 受到更基本愿望的驅(qū)使。

“我喜歡做東西，”麥克法蘭說。“我想制造出既實(shí)用又實(shí)用的材料，我想通過弄清楚在許多不同尺寸范圍內(nèi)制造新結(jié)構(gòu)的基本原理來做到這一點(diǎn)?！?/span>

他補(bǔ)充說，“對于許多行業(yè)或工程類型，材料合成被視為一個(gè)已解決的問題——制造新設(shè)備就是以新的方式使用我們已有的材料。在我們實(shí)驗(yàn)室的研究工作中，我們經(jīng)常不得不教育人們，我們現(xiàn)在不能做 X、Y 或 Z 的原因是因?yàn)槲覀儧]有實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)進(jìn)步所需的材料。在許多情況下，我們根本不知道如何制作它們。這是我們研究的目標(biāo)：我們的實(shí)驗(yàn)室致力于開發(fā)新技術(shù)所需的材料，而不是只關(guān)注終產(chǎn)品?！?/span>

通過揭示納米復(fù)合材料（由聚合物和納米顆粒的混合物制成的材料）的設(shè)計(jì)原理，Macfarlane 的職業(yè)生涯逐漸從設(shè)計(jì)新材料的斑點(diǎn)發(fā)展為構(gòu)建可以握在手中的功能物體。終，他相信他的研究將帶來新的方法來制造具有所需電氣、機(jī)械、光學(xué)和磁性特性的微調(diào)和預(yù)定組合的產(chǎn)品。

一路走來，去年獲得終身教職的麥克法蘭也致力于指導(dǎo)學(xué)生。他在麻省理工學(xué)院教授了三門本科化學(xué)課程，包括他目前的課程 3.010（材料合成與設(shè)計(jì)），該課程向二年級學(xué)生介紹未來設(shè)計(jì)和制造自己的新結(jié)構(gòu)所必需的基本概念。他近還重新設(shè)計(jì)了一門課程，在該課程中，他通過學(xué)習(xí)如何編寫教學(xué)大綱、與學(xué)生交流和指導(dǎo)學(xué)生以及設(shè)計(jì)家庭作業(yè)等方式，教授研究生如何成為教育工作者。

，Macfarlane 認(rèn)為指導(dǎo)下一代研究人員與發(fā)表論文一樣重要。

“我很幸運(yùn)。我已經(jīng)成功了，我有機(jī)會從事我熱衷的研究，”他說。“現(xiàn)在我認(rèn)為我工作的一個(gè)主要組成部分是幫助我的學(xué)生取得成功。我在這里所做的真正的產(chǎn)品和產(chǎn)出不僅僅是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和專利，而是學(xué)生繼續(xù)進(jìn)入工業(yè)界或?qū)W術(shù)界或他們選擇的任何其他地方，然后以自己的方式改變世界?！?/span>

從納米到毫米

麥克法蘭在阿拉斯加帕爾默的一個(gè)小農(nóng)場出生和長大，這是一個(gè)距離安克雷奇以北約 45 分鐘路程的郊區(qū)社區(qū)。他上高中時(shí)，該鎮(zhèn)宣布削減預(yù)算，這將迫使學(xué)校縮減一些班級。作為回應(yīng)，Macfarlane 的母親，一位前學(xué)校教師，鼓勵(lì)他參加為比他大一歲的學(xué)生提供的科學(xué)教育課程，這樣他就不會錯(cuò)過參加這些課程的機(jī)會。

“她知道教育是重要的，所以她說'我們會在一節(jié)課被沖淡之前讓你上這些課，'”麥克法蘭回憶道。

Macfarlane 不認(rèn)識他新班級的任何學(xué)生，但他有一位熱情的化學(xué)老師幫助他發(fā)現(xiàn)了對這門學(xué)科的熱愛。因此，當(dāng)他決定就讀俄勒岡州的威拉米特大學(xué)時(shí)，他立即宣布自己主修化學(xué)（后來他調(diào)整為生物化學(xué)）。

Macfarlane 在耶魯大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，初在那里攻讀博士學(xué)位，然后轉(zhuǎn)到西北大學(xué)，在那里的一個(gè)博士生研討會讓 Macfarlane 走上了他余下職業(yè)生涯所遵循的道路。

“[博士生] 正在做我感興趣的事情，”Macfarlane 說，他還請?jiān)搶W(xué)生的博士生導(dǎo)師 Chad Mirkin 教授擔(dān)任他的導(dǎo)師。“當(dāng)我加入 Mirkin 的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我感到非常幸運(yùn)，因?yàn)槲覐氖碌捻?xiàng)目是由一名六年級研究生和一名博士后發(fā)起的，他發(fā)表了一篇大論文，然后立即離開。所以，有一個(gè)沒有人在研究的廣闊領(lǐng)域。這就像給了一塊空白的畫布，上面有上千種不同的事情要做。”

這項(xiàng)工作圍繞著一種的方法，使用像 Velcro 一樣的合成 DNA 鏈將粒子結(jié)合在一起。

幾十年來，研究人員已經(jīng)知道某些材料在以 1 到 100 納米的尺度組裝時(shí)會表現(xiàn)出獨(dú)特的特性。人們還認(rèn)為，從這些組織的組件中構(gòu)建事物可以賦予對象獨(dú)特的屬性。問題是找到一種方法讓粒子以可預(yù)測的方式結(jié)合。

通過基于 DNA 的方法，Macfarlane 有了一個(gè)起點(diǎn)。

“[研究人員]曾說過，'好吧，我們已經(jīng)證明我們可以制造東西，但我們可以用 DNA 制造所有東西嗎？'”Macfarlane 說。“我的博士論文是關(guān)于開發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)則，這樣如果你使用一組特定的構(gòu)建塊，你就會得到一組已知的納米結(jié)構(gòu)。這些規(guī)則使我們能夠制造出數(shù)百種具有不同尺寸、成分、形狀、晶格結(jié)構(gòu)等的不同晶體結(jié)構(gòu)。”

完成博士學(xué)位后，麥克法蘭知道他想進(jìn)入學(xué)術(shù)界，但他先考慮的事情與工作無關(guān)。

“我想去溫暖的地方，”麥克法蘭說。“我在阿拉斯加生活了 18 年。我在芝加哥讀了六年博士學(xué)位。我只是想去個(gè)暖和的地方呆一會兒。”

Macfarlane 終在加利福尼亞州帕薩迪納市的加州理工學(xué)院工作，在 Harry Atwater 和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Bob Grubbs 的實(shí)驗(yàn)室工作。這些實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在研究使用新型聚合物進(jìn)行自組裝，Macfarlane 說，與他的博士研究相比，這需要“完全不同”的技能組合。

2015 年，在學(xué)習(xí)了使用聚合物制造材料和沐浴陽光兩年之后，Macfarlane 重新投入寒冷之中，并加入了麻省理工學(xué)院的教員隊(duì)伍。在劍橋，Macfarlane 專注于合并他為聚合物、DNA 和無機(jī)納米粒子開發(fā)的組裝技術(shù)，以制造更大規(guī)模的新材料。

這項(xiàng)工作促使 Macfarlane 和一組研究人員創(chuàng)建了一種新型的自組裝構(gòu)建塊，他的實(shí)驗(yàn)室將其稱為“納米復(fù)合構(gòu)造塊”(NCT)。NCT 使用的聚合物和分子可以模仿 DNA 的能力來指導(dǎo)納米級物體的自組織，但具有更高的可擴(kuò)展性——這意味著這些材料可用于構(gòu)建人們可以握在手中的宏觀物體。

“[這些物體]在聚合物和納米顆粒水平上控制了成分；他們控制了晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)特征；它們具有受控的宏觀三維形態(tài)；這是以前從未有人做過的，”Macfarlane 說。“通過說出人們幾十年來一直在研究這些納米粒子及其組件的所有那些特性，它開辟了大量的可能性，現(xiàn)在我們實(shí)際上可以將它們變成功能性和有用的東西?！?/span>

一個(gè)充滿可能性的世界

隨著 Macfarlane 繼續(xù)致力于使 NCT 更具可擴(kuò)展性，他對許多潛在應(yīng)用感到興奮。

一種涉及編程對象以特定方式傳輸能量。在機(jī)械能的情況下，如果你用錘子敲擊物體或者它發(fā)生車禍，產(chǎn)生的能量可能會以保護(hù)另一側(cè)的方式消散。對于光子或電子，您可以為能量或離子設(shè)計(jì)一條的路徑，從而提高能量存儲、計(jì)算和傳輸組件的效率。

事實(shí)上，這種的材料設(shè)計(jì)具有太多的潛在應(yīng)用，無法計(jì)數(shù)。

研究這些基本問題讓 Macfarlane 興奮不已，他的工作帶來的可能性只會隨著他的團(tuán)隊(duì)不斷取得進(jìn)步而增加。

“終，NCT 為材料設(shè)計(jì)開辟了許多新的可能性，但與工業(yè)特別相關(guān)的可能不是 NCT 本身，而是我們在此過程中學(xué)到的東西，”Macfarlane 說。“我們已經(jīng)學(xué)會了如何開發(fā)新的合成和加工方法，所以我興奮的事情之一就是用這些方法制造的材料具有以前無法獲得的成分?！?/span>