Doçent Robert Macfarlane, bilim insanlarının malzemeleri çeşitli ölçeklerde optimize etmelerini sağlayan tasarım ilkelerini belirliyor.
Bazı bilim insanları, pil veya yarı iletken gibi belirli bir ürünü geliştirme arzusuyla motive oluyor. Diğerleri ise belirli bir sektörün karşılaştığı zorluklardan etkileniyor. MIT’de Malzeme Bilimi ve Mühendisliği alanında Paul M. Cook Yardımcı Doçenti olan Rob Macfarlane ise daha derin bir hedefle motive oluyor.
Macfarlane, “Bir şeyler yapmaktan hoşlanıyorum” diyor. “İşlevsel ve faydalı olabilecek malzemeler yapmak istiyorum ve bunu çok çeşitli ölçeklerde yeni yapıların inşasının altında yatan temel fikirleri anlayarak yapmak istiyorum.”
Ona göre yeni bir cihaz yapmak, zaten sahip olduğumuz malzemeleri yeni yollarla kullanmakla ilgili. “Pek çok şirket veya mühendislik türü için malzeme sentezi çözülmüş bir sorun olarak görülüyor” diye devam ediyor. Laboratuvarımızda yaptığımız araştırmalarla ilgili olarak, belirli teknik ilerlemeleri mümkün kılmak için gerekli kaynaklara sahip olmadığımız için X, Y veya Z’yi şu anda gerçekleştiremediğimizi sık sık açıklamak zorunda kalıyoruz. Birçok durumda bunları nasıl üreteceğimizi henüz bilmiyoruz. Laboratuvarımızın araştırmaları, sadece bitmiş ürünlere odaklanmak yerine, yeni teknolojiler yaratmak için gerekli malzemeleri sağlamayı amaçlamaktadır.
Elinizde tutabileceğiniz işlevsel nesneler geliştirmek için Macfarlane’in kariyeri, yenilikçi malzemelerin zerreciklerini tasarlamaktan, polimer ve nanoparçacık karışımlarından yapılan malzemeler olan nanokompozitler için tasarım ilkelerini keşfetmeye kadar kademeli olarak ilerledi. Araştırmalarının sonunda, istenen elektriksel, mekanik, optik ve manyetik niteliklerin hassas bir şekilde kalibre edilmiş ve önceden tanımlanmış kombinasyonlarına sahip ürünlerin üretilmesine yönelik yeni yaklaşımlarla sonuçlanacağını tahmin ediyor.
Geçen yıl kadro alan Macfarlane, öğrencilere yol boyunca yardımcı olmaya da söz verdi. İkinci sınıf öğrencilerine gelecekte kendi özgün yapılarını tasarlamak ve yaratmak için gerekli temel ilkeleri tanıtan 3.010 (Malzemelerin Sentezi ve Tasarımı) adlı mevcut dersi, MIT’de verdiği üç lisans kimya dersinden biridir. Ayrıca, kısa bir süre önce, lisansüstü öğrencilerine nasıl eğitimci olacaklarını öğrettiği bir kursu revize ederek, onlara nasıl ev ödevleri oluşturacaklarını, öğrencilerle nasıl iletişim kuracaklarını ve onlara nasıl rehberlik edeceklerini ve bir müfredat geliştireceklerini öğretti.
Sonuçta Macfarlane, yeni nesil bilim insanlarına eğitim vermenin yayın yazmak kadar hayati olduğunu düşünüyor.
“Şanslıyım. Başarılı oldum ve artık gerçekten istediğim araştırmalar üzerinde çalışabiliyorum” diyor. Şimdi, çocuklarımın başarılı olmasına yardımcı olmanın işimin önemli bir parçası olduğunu görüyorum. Burada yaptığım işin gerçek çıktısı sadece bilimsel ve teknolojik buluşlar ve patentler değil, daha ziyade iş dünyasında, akademide veya kendi seçtikleri diğer alanlarda çalışmaya devam eden ve dünyada kendi benzersiz yollarıyla bir fark yaratmaya devam eden öğrencilerdir.
Macfarlane, Anchorage’ın 45 dakika kuzeyinde bir banliyö bölgesi olan Palmer, Alaska’da küçük bir çiftlikte doğdu ve büyüdü. Lise son sınıftayken kasaba bütçe kesintileri ilan etti ve okulu sunduğu ders sayısını azaltmaya zorladı. Macfarlane’in eski bir öğretmen olan annesi, bilim eğitimi programlarına katılma fırsatını kaçırmaması için, kendisinden bir yaş büyük öğrencilerin katılabileceği programlara kaydolmasını tavsiye etti.
Yeni sınıfındaki arkadaşlarından hiçbirini tanımamasına rağmen, Macfarlane’in kendisini bu konuya adamış bir kimya öğretmeni vardı ve onu bu konuda bir tutku geliştirmeye teşvik etti. Sonuç olarak, lisans eğitimi için Oregon’daki Willamette Üniversitesi’ne kaydolmaya karar verir vermez kendisini kimya branşı olarak ilan etti (bu branşı daha sonra biyokimya olarak değiştirdi).
Bir doktora öğrencisinin seminerinin Macfarlane’i kariyerinin geri kalanında izleyeceği yola sokacağı Northwestern Üniversitesi’ne geçmeden önce, Macfarlane Yale Üniversitesi’nden yüksek lisans derecesini aldı ve ilk olarak orada doktoraya başladı.
Öğrencinin doktora danışmanı Profesör Chad Mirkin’den kendi danışmanı olarak da görev yapmasını isteyen Macfarlane’e göre, “[doktora öğrencisi] tam da benim ilgilendiğim şeyi yapıyordu.” Mirkin’in laboratuvarına katıldığımda oldukça şanslıydım çünkü üzerinde çalıştığım araştırma, önemli bir makale yayınlayan ve hemen ayrılan bir postdoc tarafından başlatılmıştı. Yakınlarda boş duran büyük bir arazi vardı. Sonsuz olasılıklara sahip boş bir tuval verilmiş gibiydi.
Çalışma, parçacıkları Velcro benzeri sentetik DNA iplikleriyle birbirine bağlamak için hassas bir tekniğe odaklanıyordu.
Bilim insanları uzun yıllardan beri çeşitli malzemelerin 1 ila 100 nanometre arasındaki ölçeklerde düzenlendiğinde ayırt edici özellikler sergilediğinin farkındaydı. Ayrıca, titizlikle planlanmış bu düzeneklerden bir şeyler yaratmanın onlara özel nitelikler kazandırabileceği düşünülüyordu. Sorun, parçacıkların öngörülebilir bir şekilde bağlanmasını sağlayacak bir yöntem bulmaktı.
DNA tabanlı strateji Macfarlane’e başlamak için bir yer verdi.
“Tamam, bir şeyi üretebileceğimizi kanıtladık, ama DNA kullanarak her şeyi yapabilir miyiz?” [diye sormuştu Macfarlane. Belirli bir dizi yapı taşını kullanırken bilinen bir dizi nano yapı üretmek için, doktora tezimin odak noktası buydu.
Bu tür kuralların yardımıyla, çeşitli boyutlarda, bileşimlerde, formlarda, kafes yapılarında vb. çok çeşitli kristal oluşumları yaratabildik.
Macfarlane doktorasını aldıktan sonra akademide çalışmayı planladığını biliyordu, ancak en büyük önceliğinin istihdamla ilgisi yoktu. Macfarlane, “Sıcak bir yere seyahat etmek istiyordum” diyor. 18 yılımı Alaska’da ikamet ederek geçirdim. Doktoramı yapmak için altı yılımı Chicago’da geçirdim. Sadece sıcak bir yerde biraz zaman geçirmek istiyordum.
Macfarlane sonunda kendini Nobel ödüllü Bob Grubbs ve Harry Atwater’ın Pasadena, Kaliforniya’daki Caltech laboratuvarlarında çalışırken buldu. Bu laboratuarlardaki araştırmacılar, Macfarlane’e göre doktora çalışmasından “tamamen farklı” bir dizi beceri gerektiren yeni bir polimer kullanarak kendi kendine birleşmeyi araştırıyorlardı.
Macfarlane, iki yıl boyunca güneşi içine çekip polimerler kullanarak nasıl malzeme yapılacağını öğrendikten sonra 2015 yılında MIT’deki fakülteye katılmak için soğuğa geri döndü. Macfarlane, daha büyük boyutlarda yeni malzemeler oluşturmak için Cambridge’deki çabalarını polimerler, DNA ve inorganik nanoparçacıklar için oluşturduğu birleştirme yöntemlerini birleştirmeye yoğunlaştırdı.
Nanokompozit Tektonlar Nedir?
Bu çalışma, Macfarlane ve bir grup bilim insanına “nanokompozit tektonlar” (NCT’ler) adını verdikleri yepyeni bir kendi kendine birleşen yapı taşları sınıfı geliştirmeleri için ilham verdi. NCT’ler polimerler ve kimyasallar kullanarak bir insanın elinde tutabileceği büyüklükte makroskopik nesneler üretebilir. Nano ölçekli nesnelerin kendi kendini organize etmesini kontrol etme yeteneği DNA’nınkine benzer, ancak çok daha büyük ölçeklenebilirliğe sahiptir.
Macfarlane’e göre, polimer ve nanoparçacık seviyelerindeki nesnelerin bileşimini, tane boyutlarını ve mikro yapısal özelliklerini ve makroskopik üç boyutlu formu düzenlemek daha önce hiç yapılmamıştı. “Bilim insanlarının onlarca yıldır araştırmakta olduğu bu nanoparçacıklar ve bunların bir araya getirilmesiyle ilgili tüm bu nitelikleri artık gerçekten işlevsel ve kullanışlı bir şeye dönüştürebileceğimizi belirterek çok geniş bir olasılıklar dizisinin önünü açtı.”
Macfarlane, NCT’leri daha ölçeklenebilir hale getirmek için çalışırken çeşitli potansiyel kullanımlar konusunda hevesli.
Birincisi, nesnelere enerjiyi belirli şekillerde aktarmaları için talimat vermeyi gerektirir. Bir nesneyi çekiçle parçalarsanız ya da bir araç kazası geçirirse, ortaya çıkan mekanik enerji diğer taraftakini koruyacak şekilde dağılabilir. Fotonların veya elektronların izleyeceği kesin bir yol oluşturmak mümkündür, bu da enerji depolama, işleme ve taşıma sistemlerinin etkinliğini artıracaktır.
Gerçek şu ki, bu tür hassas malzeme tasarımı için sayılamayacak kadar çok potansiyel kullanım alanı var.
Macfarlane bu tür temel konular üzerinde çalışmaktan keyif alıyor ve ekibi daha fazla ilerleme kaydettikçe, çalışmalarının açtığı olanaklar da genişleyecektir.
Macfarlane’e göre, NCT’ler malzeme tasarımı için çok çeşitli yeni olanaklar sunuyor, ancak endüstri için en önemli şey NCT’lerin kendileri değil, yol boyunca keşfettiklerimiz olabilir. Yeni sentezleri ve işleme tekniklerini nasıl yaratacağımızı bildiğimiz için en çok beklediğim şeylerden biri, daha önce mümkün olmayan bileşimlere sahip malzemeler yaratmak.
Kaynak: news.mit.edu
