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

一些研究人員被改進特定產品（如電池或半導體）的追求所驅使。其他人的動機是解決特定行業面臨的問題。麻省理工學院的 Paul M. Cook 材料科學與工程副教授羅布·麥克法蘭 (Rob Macfarlane) 受到更基本愿望的驅使。

“我喜歡做東西，”麥克法蘭說。“我想制造出既實用又實用的材料，我想通過弄清楚在許多不同尺寸范圍內制造新結構的基本原理來做到這一點。”

他補充說，“對于許多行業或工程類型，材料合成被視為一個已解決的問題——制造新設備就是以新的方式使用我們已有的材料。在我們實驗室的研究工作中，我們經常不得不教育人們，我們現在不能做 X、Y 或 Z 的原因是因為我們沒有實現這些技術進步所需的材料。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：我們的實驗室致力于開發新技術所需的材料，而不是只關注終產品。”

通過揭示納米復合材料（由聚合物和納米顆粒的混合物制成的材料）的設計原理，Macfarlane 的職業生涯逐漸從設計新材料的斑點發展為構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、機械、光學和磁性特性的微調和預定組合的產品。

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

，Macfarlane 認為指導下一代研究人員與發表論文一樣重要。

“我很幸運。我已經成功了，我有機會從事我熱衷的研究，”他說。“現在我認為我工作的一個主要組成部分是幫助我的學生取得成功。我在這里所做的真正的產品和產出不僅僅是科學技術進步和專利，而是學生繼續進入工業界或學術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。”

從納米到毫米

麥克法蘭在阿拉斯加帕爾默的一個小農場出生和長大，這是一個距離安克雷奇以北約 45 分鐘路程的郊區社區。他上高中時，該鎮宣布削減預算，這將迫使學校縮減一些班級。作為回應，Macfarlane 的母親，一位前學校教師，鼓勵他參加為比他大一歲的學生提供的科學教育課程，這樣他就不會錯過參加這些課程的機會。

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

Macfarlane 不認識他新班級的任何學生，但他有一位熱情的化學老師幫助他發現了對這門學科的熱愛。因此，當他決定就讀俄勒岡州的威拉米特大學時，他立即宣布自己主修化學（后來他調整為生物化學）。

Macfarlane 在耶魯大學攻讀碩士學位，初在那里攻讀博士學位，然后轉到西北大學，在那里的一個博士生研討會讓 Macfarlane 走上了他余下職業生涯所遵循的道路。

“[博士生] 正在做我感興趣的事情，”Macfarlane 說，他還請該學生的博士生導師 Chad Mirkin 教授擔任他的導師。“當我加入 Mirkin 的實驗室時，我感到非常幸運，因為我從事的項目是由一名六年級研究生和一名博士后發起的，他發表了一篇大論文，然后立即離開。所以，有一個沒有人在研究的廣闊領域。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 鏈將粒子結合在一起。

幾十年來，研究人員已經知道某些材料在以 1 到 100 納米的尺度組裝時會表現出獨特的特性。人們還認為，從這些組織的組件中構建事物可以賦予對象獨特的屬性。問題是找到一種方法讓粒子以可預測的方式結合。

通過基于 DNA 的方法，Macfarlane 有了一個起點。

“[研究人員]曾說過，'好吧，我們已經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。“我的博士論文是關于開發設計規則，這樣如果你使用一組特定的構建塊，你就會得到一組已知的納米結構。這些規則使我們能夠制造出數百種具有不同尺寸、成分、形狀、晶格結構等的不同晶體結構。”

完成博士學位后，麥克法蘭知道他想進入學術界，但他先考慮的事情與工作無關。

“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位。我只是想去個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院工作，在 Harry Atwater 和諾貝爾獎獲得者 Bob Grubbs 的實驗室工作。這些實驗室的研究人員正在研究使用新型聚合物進行自組裝，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，在學習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院的教員隊伍。在劍橋，Macfarlane 專注于合并他為聚合物、DNA 和無機納米粒子開發的組裝技術，以制造更大規模的新材料。

這項工作促使 Macfarlane 和一組研究人員創建了一種新型的自組裝構建塊，他的實驗室將其稱為“納米復合構造塊”(NCT)。NCT 使用的聚合物和分子可以模仿 DNA 的能力來指導納米級物體的自組織，但具有更高的可擴展性——這意味著這些材料可用于構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構特征；它們具有受控的宏觀三維形態；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，現在我們實際上可以將它們變成功能性和有用的東西。”

一個充滿可能性的世界

隨著 Macfarlane 繼續致力于使 NCT 更具可擴展性，他對許多潛在應用感到興奮。

一種涉及編程對象以特定方式傳輸能量。在機械能的情況下，如果你用錘子敲擊物體或者它發生車禍，產生的能量可能會以保護另一側的方式消散。對于光子或電子，您可以為能量或離子設計一條的路徑，從而提高能量存儲、計算和傳輸組件的效率。

事實上，這種的材料設計具有太多的潛在應用，無法計數。

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隊不斷取得進步而增加。

“終，NCT 為材料設計開辟了許多新的可能性，但與工業特別相關的可能不是 NCT 本身，而是我們在此過程中學到的東西，”Macfarlane 說。“我們已經學會了如何開發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。”