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(wèn)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(shuō)。“我想制造出既實(shí)用又實(shí)用的材料，我想通過(guò)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(lái)做到這一點(diǎn)?！?/span>

他補(bǔ)充說(shuō)，“對(duì)于許多行業(yè)或工程類(lèi)型，材料合成被視為一個(gè)已解決的問(wèn)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](méi)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(kāi)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(guò)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(lái)新的方法來(lái)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(lái)，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(mén)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(jí)學(xué)生介紹未來(lái)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(mén)課程，在該課程中，他通過(guò)學(xué)習(xí)如何編寫(xiě)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(huì)從事我熱衷的研究，”他說(shuō)。“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(zhuān)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(chǎng)出生和長(zhǎng)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)?？s減一些班級(jí)。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(huì)錯(cuò)過(guò)參加這些課程的機(jī)會(huì)。

“她知道教育是重要的，所以她說(shuō)'我們會(huì)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(shí)他新班級(jí)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(duì)這門(mén)學(xué)科的熱愛(ài)。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(lái)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(huì)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(shuō)，他還請(qǐng)?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(jí)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(kāi)。所以，有一個(gè)沒(méi)有人在研究的廣闊領(lǐng)域。這就像給了一塊空白的畫(huà)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(lái)，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(huì)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(duì)象獨(dú)特的屬性。問(wèn)題是找到一種方法讓粒子以可預(yù)測(cè)的方式結(jié)合。

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

“[研究人員]曾說(shuō)過(guò)，'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(shuō)。“我的博士論文是關(guān)于開(kāi)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(huì)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)?！?/span>

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(wú)關(guān)。

“我想去溫暖的地方，”麥克法蘭說(shuō)。“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(huì)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(shuō)，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(yáng)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(zhuān)注于合并他為聚合物、DNA 和無(wú)機(jī)納米粒子開(kāi)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(chēng)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(lái)指導(dǎo)納米級(jí)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(guò)的，”Macfarlane 說(shuō)。“通過(guò)說(shuō)出人們幾十年來(lái)一直在研究這些納米粒子及其組件的所有那些特性，它開(kāi)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(mǎn)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(duì)許多潛在應(yīng)用感到興奮。

一種涉及編程對(duì)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(chē)禍，產(chǎn)生的能量可能會(huì)以保護(hù)另一側(cè)的方式消散。對(duì)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(chǔ)、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(wú)法計(jì)數(shù)。

研究這些基本問(wèn)題讓 Macfarlane 興奮不已，他的工作帶來(lái)的可能性只會(huì)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(kāi)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?cè)诖诉^(guò)程中學(xué)到的東西，”Macfarlane 說(shuō)。“我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何開(kāi)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(wú)法獲得的成分?！?/span>