Einige Forscher sind von der Suche nach der Verbesserung eines bestimmten Produkts wie einer Batterie oder eines Halbleiters getrieben. Andere werden durch die Auseinandersetzung mit Fragen motiviert, mit denen eine bestimmte Branche konfrontiert ist. Rob Macfarlane, Paul M. Cook Associate Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT, wird von einem grundlegenderen Wunsch getrieben.
„Ich mag es, Dinge zu machen“, sagt Macfarlane. „Ich möchte Materialien herstellen, die funktional und nützlich sein können, und ich möchte dies tun, indem ich die Grundprinzipien herausfinde, die in die Herstellung neuer Strukturen in vielen verschiedenen Größenbereichen einfließen.“
Er fügt hinzu: „Für viele Branchen oder Arten der Technik wird die Materialsynthese als gelöstes Problem behandelt – bei der Herstellung eines neuen Geräts geht es darum, die Materialien, die wir bereits haben, auf neue Weise zu verwenden. Bei den Forschungsbemühungen unseres Labors müssen wir die Leute oft darüber aufklären, dass wir X, Y oder Z derzeit nicht ausführen können, weil wir nicht über die Materialien verfügen, die für diese technologischen Fortschritte erforderlich sind. In vielen Fällen wissen wir einfach noch nicht, wie wir sie herstellen sollen. Das ist das Ziel unserer Forschung: In unserem Labor geht es darum, die Materialien zu ermöglichen, die für die Entwicklung neuer Technologien benötigt werden, anstatt sich nur auf die Endprodukte zu konzentrieren.“
Durch die Aufdeckung von Konstruktionsprinzipien für Nanokomposite, bei denen es sich um Materialien handelt, die aus Mischungen von Polymeren und Nanopartikeln hergestellt werden, hat sich Macfarlanes Karriere allmählich von der Entwicklung neuartiger Materialien zum Bau funktionaler Objekte entwickelt, die Sie in der Hand halten können. Er glaubt, dass seine Forschung letztendlich zu neuen Wegen zur Herstellung von Produkten mit fein abgestimmten und vorbestimmten Kombinationen gewünschter elektrischer, mechanischer, optischer und magnetischer Eigenschaften führen wird.
Nebenbei hat sich Macfarlane, der letztes Jahr eine Anstellung erhalten hat, auch der Betreuung von Studenten verschrieben. Er hat am MIT drei Bachelor-Kurse in Chemie unterrichtet, darunter seinen aktuellen Kurs 3.010 (Synthesis and Design of Materials), der Studenten im zweiten Studienjahr in die grundlegenden Konzepte einführt, die für den Entwurf und die Herstellung ihrer eigenen neuen Strukturen in der Zukunft erforderlich sind. Kürzlich hat er auch einen Kurs umgestaltet, in dem er Doktoranden beibringt, wie man Pädagogen wird, indem er lernt, wie man einen Lehrplan schreibt, mit Studenten kommuniziert und sie betreut und Hausaufgaben erstellt.
Letztendlich glaubt Macfarlane, dass die Betreuung der nächsten Generation von Forschern genauso wichtig ist wie die Veröffentlichung von Artikeln.
„Ich habe Glück. Ich war erfolgreich und habe die Möglichkeit, die Forschung fortzusetzen, die mir am Herzen liegt“, sagt er. „Heute sehe ich einen wesentlichen Teil meiner Arbeit darin, meinen Studenten zu ermöglichen, erfolgreich zu sein. Das eigentliche Produkt und Ergebnis dessen, was ich hier tue, sind nicht nur die wissenschaftlichen und technischen Fortschritte und Patente, es sind die Studenten, die in die Industrie oder Universität gehen oder wo immer sie es sonst wünschen, und dann die Welt auf ihre eigene Weise verändern.“
Von Nanometern zu Millimetern
Macfarlane ist auf einer kleinen Farm in Palmer, Alaska, einer Vorstadtgemeinde etwa 45 Minuten nördlich von Anchorage, geboren und aufgewachsen. Als er in der High School war, kündigte die Stadt Budgetkürzungen an, die die Schule zwingen würden, eine Reihe von Klassen zu reduzieren. Als Reaktion darauf ermutigte Macfarlanes Mutter, eine ehemalige Schullehrerin, ihn, sich für den naturwissenschaftlichen Unterricht anzumelden, der für Schüler angeboten würde, die ein Jahr älter als er waren, damit er die Gelegenheit nicht verpassen würde, sie zu besuchen.
„Sie wusste, dass Bildung von größter Bedeutung war, also sagte sie: ‚Wir bringen Sie in diese letzten Klassen, bevor sie verwässert werden’“, erinnert sich Macfarlane.
Macfarlane kannte keinen der Schüler in seinen neuen Klassen, aber er hatte einen leidenschaftlichen Chemielehrer, der ihm half, seine Liebe für das Fach zu entdecken. Als er sich entschied, als Student an der Willamette University in Oregon zu studieren, erklärte er sich daher sofort zum Hauptfach Chemie (das er später auf Biochemie umstellte).
Macfarlane besuchte die Yale University für seinen Master-Abschluss und begann dort zunächst mit einer Promotion, bevor er an die Northwestern University wechselte, wo ein Seminar für Doktoranden Macfarlane auf einen Weg brachte, dem er für den Rest seiner Karriere folgen würde.
„[The PhD student] genau das tat, woran ich interessiert war“, sagt Macfarlane, der den Doktorvater des Studenten, Professor Chad Mirkin, bat, auch sein Betreuer zu sein. „Ich hatte großes Glück, als ich in Mirkins Labor kam, denn das Projekt, an dem ich arbeitete, wurde von einem Doktoranden im sechsten Jahr und einem Postdoc initiiert, die eine große Arbeit veröffentlichten und dann sofort wieder gingen. Da war also dieses weit offene Feld, an dem niemand arbeitete. Es war, als hätte man eine leere Leinwand mit tausend verschiedenen Dingen zu tun.“
Die Arbeit drehte sich um eine präzise Art und Weise, Partikel mithilfe synthetischer DNA-Stränge, die wie Klettverschlüsse wirken, aneinander zu binden.
Forscher wissen seit Jahrzehnten, dass bestimmte Materialien einzigartige Eigenschaften aufweisen, wenn sie im Maßstab von 1 bis 100 Nanometer zusammengesetzt werden. Es wurde auch geglaubt, dass der Bau von Dingen aus diesen präzise organisierten Baugruppen Objekten einzigartige Eigenschaften verleihen könnte. Das Problem bestand darin, einen Weg zu finden, die Partikel dazu zu bringen, sich auf vorhersagbare Weise zu binden.
Mit dem DNA-basierten Ansatz hatte Macfarlane einen Ausgangspunkt.
„[The researchers] hatte gesagt: ‚Okay, wir haben gezeigt, dass wir etwas herstellen können, aber können wir alle Dinge mit DNA herstellen?’“, sagt Macfarlane. „In meiner Doktorarbeit ging es darum, Designregeln zu entwickeln, sodass man bei Verwendung eines bestimmten Satzes von Bausteinen als Ergebnis einen bekannten Satz von Nanostrukturen erhält. Diese Regeln ermöglichten es uns, Hunderte verschiedener Kristallstrukturen mit unterschiedlichen Größen, Zusammensetzungen, Formen, Gitterstrukturen usw. herzustellen.“
Nach Abschluss seiner Promotion wusste Macfarlane, dass er in die Wissenschaft gehen wollte, aber seine größte Priorität hatte nichts mit der Arbeit zu tun.
„Ich wollte an einen warmen Ort“, sagt Macfarlane. „Ich hatte 18 Jahre in Alaska gelebt. Ich habe sechs Jahre lang in Chicago promoviert. Ich wollte nur für eine Weile an einen warmen Ort gehen.“
Macfarlane landete am Caltech in Pasadena, Kalifornien, wo er in den Labors von Harry Atwater und Nobelpreisträger Bob Grubbs arbeitete. Forscher in diesen Labors untersuchten die Selbstorganisation unter Verwendung eines neuen Polymertyps, der laut Macfarlane im Vergleich zu seiner Doktorarbeit „völlig andere“ Fähigkeiten erforderte.
Im Jahr 2015, nachdem er zwei Jahre lang gelernt hatte, Materialien mit Polymeren zu bauen und die Sonne aufzusaugen, stürzte sich Macfarlane zurück in die Kälte und trat der MIT-Fakultät bei. In Cambridge hat sich Macfarlane darauf konzentriert, die von ihm entwickelten Montagetechniken für Polymere, DNA und anorganische Nanopartikel zusammenzuführen, um neue Materialien in größerem Maßstab herzustellen.
Diese Arbeit veranlasste Macfarlane und eine Gruppe von Forschern, eine neue Art von selbstorganisierenden Bausteinen zu entwickeln, die sein Labor „Nanocomposite Tectons“ (NCTs) nannte. NCTs verwenden Polymere und Moleküle, die die Fähigkeit der DNA nachahmen können, die Selbstorganisation von Objekten im Nanomaßstab zu steuern, aber mit weitaus größerer Skalierbarkeit – was bedeutet, dass diese Materialien verwendet werden könnten, um makroskopische Objekte zu bauen, die eine Person in der Hand halten kann.
„[The objects] hatte eine kontrollierte Zusammensetzung auf Polymer- und Nanopartikelebene; sie hatten kontrollierte Korngrößen und mikrostrukturelle Merkmale; und sie hatten eine kontrollierte makroskopische dreidimensionale Form; und das hat es noch nie gegeben“, sagt Macfarlane. „Es hat eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet, indem gesagt wurde, dass all diese Eigenschaften, die Menschen seit Jahrzehnten an diesen Nanopartikeln und ihren Anordnungen studieren, jetzt tatsächlich zu etwas Funktionalem und Nützlichem gemacht werden können.“
Eine Welt der Möglichkeiten
Während Macfarlane weiter daran arbeitet, NCTs skalierbarer zu machen, ist er von einer Reihe potenzieller Anwendungen begeistert.
Eine beinhaltet das Programmieren von Objekten, um Energie auf bestimmte Weise zu übertragen. Im Falle mechanischer Energie, wenn Sie mit einem Hammer auf das Objekt schlagen oder es in einen Autounfall verwickelt ist, könnte sich die resultierende Energie so verteilen, dass die andere Seite geschützt wird. Im Fall von Photonen oder Elektronen könnten Sie einen präzisen Weg für die Energie oder Ionen entwerfen, durch den sie reisen, was die Effizienz von Energiespeicher-, Rechen- und Transportkomponenten verbessern könnte.
Die Wahrheit ist, dass ein solch präzises Design von Materialien zu viele potenzielle Anwendungen hat, um sie zu zählen.
Die Arbeit an solch grundlegenden Problemen begeistert Macfarlane, und die Möglichkeiten, die sich aus seiner Arbeit ergeben, werden nur wachsen, wenn sein Team weitere Fortschritte macht.
„Letztendlich eröffnen NCTs viele neue Möglichkeiten für das Materialdesign, aber was besonders industriell relevant sein könnte, sind nicht so sehr die NCTs selbst, sondern das, was wir dabei gelernt haben“, sagt Macfarlane. „Wir haben gelernt, wie man neue Synthesen und Verarbeitungsmethoden entwickelt, daher begeistert es mich am meisten, mit diesen Methoden Materialien herzustellen, deren Zusammensetzung zuvor nicht zugänglich war.“
