Национальная лаборатория Министерства энергетики США в Эймсе, штат Айова
Ames National Laboratory , ранее Ames Laboratory , — национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Эймсе, штат Айова , и связанная с Университетом штата Айова . Это национальная лаборатория высшего уровня для исследований в области национальной безопасности, энергетики и окружающей среды. Лаборатория проводит исследования в областях, представляющих национальный интерес, включая синтез и изучение новых материалов , энергетических ресурсов, высокоскоростного проектирования компьютеров , а также очистки и восстановления окружающей среды . Она расположена на территории кампуса Университета штата Айова.
В январе 2013 года Министерство энергетики объявило о создании Института критических материалов (CMI) в лаборатории Эймса, задачей которого является разработка решений для устранения дефицита редкоземельных металлов и других материалов, имеющих решающее значение для энергетической безопасности США .
История
1940-е годы
В 1942 году Фрэнк Спеддинг из колледжа штата Айова , эксперт в области химии редкоземельных элементов , согласился создать и возглавить программу химических исследований и разработок, с тех пор названную проектом Эймса , для сопровождения существующей физической программы Манхэттенского проекта . Ее целью было производство урана высокой чистоты из урановых руд . Харли Вильгельм разработал новые методы как восстановления, так и литья металлического урана, что позволило отливать большие слитки металла и снизить производственные затраты в двадцать раз. Около трети, или около двух тонн, урана, использованного в первой самоподдерживающейся ядерной реакции в Чикагском университете , было получено с помощью этих процедур, теперь известных как процесс Эймса . Проект Эймса произвел более двух миллионов фунтов (1000 коротких тонн; 910 000 кг) урана для Манхэттенского проекта, пока промышленность не взяла на себя этот процесс в 1945 году.
Проект Эймса получил награду Армии и ВМС «E» за выдающиеся достижения в производстве 12 октября 1945 года, что означало два с половиной года выдающихся достижений в промышленном производстве металлического урана как жизненно важного военного материала. Университет штата Айова является единственным среди учебных заведений, получившим эту награду за выдающиеся заслуги, честь, обычно присуждаемую промышленности. Другие ключевые достижения, связанные с проектом, включали:
- Разработка процесса извлечения урана из лома и превращения его в качественные слитки.
- Разработка ионообменного процесса для разделения редкоземельных элементов друг от друга в граммовых количествах, что невозможно при использовании других методов.
- Разработка крупномасштабного процесса производства тория методом восстановления в бомбе.
Лаборатория Эймса была официально создана в 1947 году Комиссией по атомной энергии США в результате успеха проекта Эймса.
1950-е годы
В 1950-х годах растущая репутация лаборатории в работе с редкоземельными металлами быстро увеличивала ее рабочую нагрузку. Поскольку страна исследовала возможности использования ядерной энергии , ученые лаборатории изучали ядерное топливо и конструкционные материалы для ядерных реакторов . Процессы, разработанные в лаборатории Эймса, привели к производству самых чистых редкоземельных металлов в мире, в то же время значительно снизив их цену. В большинстве случаев объекты лаборатории служили моделями для крупномасштабного производства редкоземельных металлов. Ученые лаборатории использовали синхротрон Университета штата Айова для проведения исследований физики средних энергий. Усилия в области аналитической химии расширялись, чтобы не отставать от необходимости анализировать новые материалы.
Другие ключевые достижения 1950-х годов включают:
1960-е
В 1960-х годах Лаборатория достигла пика занятости, поскольку ее ученые продолжали изучать новые материалы. В рамках этих усилий Лаборатория построила 5-мегаваттный тяжеловодный реактор для исследований дифракции нейтронов и дополнительных исследований по разделению изотопов . Комиссия по атомной энергии США создала Информационный центр по редкоземельным металлам в Лаборатории Эймса, чтобы предоставлять научному и техническому сообществу информацию о редкоземельных металлах и их соединениях.
Другие ключевые достижения 1960-х годов включают:
- Разработка процесса получения металлического тория чистотой 99,985 процента.
- Разработка процесса производства высокочистого металлического ванадия для ядерных применений.
- Открытие нового изотопа меди - 69.
- Провел первую успешную эксплуатацию изотопного сепаратора, соединенного с реактором, с целью изучения короткоживущей радиоактивности, возникающей при делении урана -235.
- Выращивание первого крупного кристалла твердого гелия
1970-е
В 1970-х годах, когда Комиссия по атомной энергии США превратилась в Министерство энергетики США , усилия диверсифицировались, поскольку некоторые исследовательские программы были закрыты, а новые открыты. Федеральные чиновники объединили реакторные установки, что привело к закрытию исследовательского реактора. Лаборатория Эймса отреагировала, сделав новый акцент на прикладной математике , солнечной энергии , ископаемом топливе и контроле загрязнения. Были разработаны инновационные аналитические методы для получения точной информации из все более мелких образцов. Главным среди них была индуктивно связанная плазма - атомно-эмиссионная спектроскопия , которая могла быстро и одновременно обнаруживать до 40 различных следовых металлов из небольшого образца.
Другие ключевые достижения 1970-х годов включают:
- Разработка высокочувствительной методики прямого анализа ртути в воздухе, воде, рыбе и почве.
- Разработка метода выделения мельчайших количеств органических соединений, содержащихся в воде.
- Разработка процесса удаления меди, олова и хрома из автомобильного лома с получением регенерированной стали, достаточно чистой для прямого повторного использования.
- Разработка экрана усилителя изображения , который значительно снизил воздействие медицинских рентгеновских лучей .
- Разработка солнечного нагревательного модуля, который мог бы как хранить, так и передавать солнечную энергию .
1980-е
В 1980-х годах исследования в лаборатории Эймса развивались для удовлетворения местных и национальных энергетических потребностей. Исследования ископаемой энергии были сосредоточены на способах более чистого сжигания угля . Были разработаны новые технологии для очистки мест захоронения ядерных отходов . Исследования в области высокопроизводительных вычислений дополнили программы прикладной математики и физики твердого тела . Лаборатория Эймса стала национальным лидером в области сверхпроводимости и неразрушающей оценки . Кроме того, DOE создало Центр подготовки материалов [1] для предоставления общественности доступа к разработке новых материалов.
Другие ключевые достижения 1980-х годов включают:
1990-е
Вдохновленная Министерством энергетики США , в 1990-х годах Лаборатория Эймса продолжила свои усилия по передаче результатов основных исследований в промышленность для разработки новых материалов, продуктов и процессов. Была создана Лаборатория масштабируемых вычислений [2], чтобы найти способы сделать параллельные вычисления доступными и экономически эффективными для научного сообщества. Исследователи обнаружили первый неуглеродный пример бакиболов , нового материала, важного в области микроэлектроники . Ученые разработали секвенатор ДНК , который был в 24 раза быстрее других устройств, и метод, который оценивал характер повреждения ДНК химическими загрязнителями.
Другие ключевые достижения 1990-х годов включают:
- Разработка метода сравнительного анализа HINT , который объективно сравнивал компьютеры всех размеров, теперь поддерживается сайтом HINT Университета имени Бригама Янга . [3]
- Усовершенствование метода распыления газа под высоким давлением для превращения расплавленного металла в мелкозернистые металлические порошки.
- Прогнозирование геометрии керамической структуры с фотонной запрещенной зоной . Эти структуры могут повысить эффективность лазеров , сенсорных устройств и антенн .
- Открытие нового класса материалов, которые могут сделать магнитное охлаждение жизнеспособной технологией охлаждения в будущем.
- Разработка высокопрочного бессвинцового припоя , который прочнее, проще в использовании, лучше выдерживает высокие температуры и безопасен для окружающей среды.
- Разработка новых покрытий из никеля и алюминида, модифицированных платиной, которые обеспечивают беспрецедентную окислительную и фазовую стабильность в качестве связующих слоев в теплозащитных покрытиях, что может повысить долговечность газотурбинных двигателей, позволяя им работать при более высоких температурах и продлевая срок их службы.
- Открытие интерметаллических соединений, пластичных при комнатной температуре, которые можно использовать для производства практичных материалов: от покрытий, обладающих высокой устойчивостью к коррозии и прочностью при высоких температурах, до гибких сверхпроводящих проводов и мощных магнитов.
- Исследования фотофизики люминесцентных органических тонких пленок и органических светодиодов привели к созданию нового интегрированного датчика кислорода и новой компании по производству датчиков.
- Разработка биосенсорной технологии, помогающей определить риск заболевания раком у человека из-за воздействия химических загрязнителей.
- Разработка блока капиллярного электрофореза , который может анализировать несколько химических образцов одновременно. Этот блок имеет применение в фармацевтической, генетической, медицинской и судебной областях.
- Разработка и демонстрация фотонных кристаллов с запрещенной зоной, геометрическое расположение диэлектрических материалов, которые позволяют свету проходить, за исключением случаев, когда частота попадает в запрещенный диапазон. Эти материалы упростили бы разработку многочисленных практических устройств, включая оптические лазеры, оптические компьютеры и солнечные элементы.
2000-е
- Разработка механохимического процесса, который является способом получения органических соединений в твердом состоянии без растворителя. Он используется для изучения новых сложных гидридных материалов, которые могли бы обеспечить решение для высокоемкого, безопасного хранения водорода, необходимого для того, чтобы сделать водородные транспортные средства жизнеспособными.
- Разработка передовой технологии электроприводных двигателей путем проектирования высокопроизводительного сплава постоянных магнитов, который работает с хорошей магнитной силой при температуре 200 градусов по Цельсию или 392 градуса по Фаренгейту, что поможет сделать электроприводные двигатели более эффективными и экономичными.
- Имитация бактерий для синтеза магнитных наночастиц, которые можно использовать для нацеливания и доставки лекарств, в магнитных чернилах и устройствах памяти высокой плотности или в качестве магнитных уплотнителей в двигателях.
- Объединив газификацию с высокотехнологичными наноразмерными пористыми катализаторами, они надеются создавать этанол из широкого спектра биомассы, включая барду, оставшуюся после производства этанола, кукурузную солому с полей, траву, древесную массу, отходы животноводства и мусор.
- Открытие керамического сплава бора, алюминия и магния, который демонстрирует исключительную твердость. Добавление покрытия BAM к лопастям может снизить трение и повысить износостойкость, что может оказать существенное влияние на повышение эффективности насосов, которые используются во всех видах промышленных и коммерческих применений.
- Материалы, произведенные Центром подготовки материалов (MPC) Лаборатории Эймса, были запущены в космос в рамках миссии Планк Европейского космического агентства . Сплав лантана-никеля-олова, произведенный MPC, использовался в системах криоохладителя Планка для охлаждения инструментов во время космической миссии.
- Разработка osgBullet, программного пакета, который создает 3-D компьютерные симуляции в реальном времени, которые могут помочь инженерам проектировать сложные системы, начиная от электростанций следующего поколения и заканчивая высокоэффективными автомобилями. Программное обеспечение osgBullet получило награду R&D 100 Award 2010.
- Исследования, подтверждающие отрицательное преломление, можно наблюдать в фотонных кристаллах в микроволновой области электромагнитного спектра, что приближает физиков на один шаг к созданию материалов, демонстрирующих отрицательное преломление в оптическом диапазоне длин волн, и созданию столь востребованных суперлинз .
2011 и далее
- Разработка нового сплава, который позволил на 25 процентов улучшить способность ключевого материала преобразовывать тепло в электрическую энергию, что в будущем может повысить эффективность автомобилей, военной техники и крупных электростанций.
- Подписан меморандум о взаимопонимании с Корейским институтом промышленных технологий с целью развития международного сотрудничества в области исследований редкоземельных элементов.
- Дэн Шехтман , сотрудник Национальной лаборатории Эймса, был удостоен Нобелевской премии по химии 2011 года за открытие квазикристаллов в Университете Джонса Хопкинса . [4] [5]
- Технология газового распыления использовалась для производства титанового порошка с помощью процессов, которые в десять раз эффективнее традиционных методов производства порошка, что значительно снижает стоимость титанового порошка для производителей. Технология привела к образованию компании, которая выиграла конкурс America's Next Top Energy Innovators Challenge администрации Обамы. Компания, основанная на технологии, Iowa Powder Atomization Technology, также выиграла конкурс бизнес-планов Джона Паппаджона Айовы 2012 года.
- Новаторские методы масс-спектрометрии, разработанные в лаборатории Эймса, помогают биологам растений впервые увидеть невиданные ранее структуры растительных тканей. Это достижение открывает новые области исследований, которые могут иметь долгосрочные последствия для исследований биотоплива и генетики сельскохозяйственных культур.
- Ученые разгадывают тайны экзотических сверхпроводников — материалов, которые при охлаждении имеют нулевое электрическое сопротивление, что когда-нибудь может помочь повысить эффективность распределения электроэнергии.
- Открытие глубинного порядка в металлических стеклах, который может стать ключом к возможности создания новых высокотехнологичных сплавов с особыми свойствами.
- Открытие новых способов использования известного полимера в органических светодиодах ( OLED ), которые могли бы устранить необходимость во все более проблемном и хрупком оксиде металла, используемом в экранах компьютеров, телевизоров и мобильных телефонов.
- Исследование путей усовершенствования силового кабеля следующего поколения из композита алюминия и кальция. Кабели из этого композита будут легче и прочнее, а их проводимость будет как минимум на 10 процентов лучше, чем у существующих материалов для постоянного тока, растущего сегмента глобальной передачи электроэнергии.
- В 2013 году Министерство энергетики США выделило Лаборатории Эймса 120 миллионов долларов на создание нового Центра энергетических инноваций — Института критических материалов, который сосредоточится на поиске и коммерциализации способов снижения зависимости от критических материалов, необходимых для конкурентоспособности Америки в области чистых энергетических технологий.
- Приобретение технологии 3D-печати, которая ускорит поиск альтернатив редкоземельным и другим критически важным металлам, а также поможет разработать процессы, которые позволят создавать уникальные материалы и структуры в процессе печати.
- В 2014 году заложили фундамент нового современного Чувствительного приборного комплекса (SIF). SIF станет новым домом для существующего сканирующего просвечивающего электронного микроскопа лаборатории и некоторого нового высокочувствительного оборудования, обеспечивая среду, изолированную от вибрации, электромагнитных и других типов помех, которые могут скрыть детали атомного масштаба от четкого обзора. SIF планировалось завершить в 2015 году.
- Раскрытие тайн новых материалов с помощью сверхбыстрой лазерной спектроскопии, похожей на высокоскоростную фотографию, где множество быстрых изображений выявляют тонкие движения и изменения внутри материалов. Наблюдение за этой динамикой — одна из новых стратегий для лучшего понимания того, как работают новые материалы, чтобы их можно было использовать для обеспечения новых энергетических технологий.
- Создание более быстрой и чистой технологии переработки биотоплива, которая не только объединяет процессы, но и использует широкодоступные материалы для снижения затрат.
- Дом для динамической ядерной поляризации (DNP) твердотельного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) спектрометра, который помогает ученым понять, как отдельные атомы расположены в материалах. DNP-NMR лаборатории Эймса является первым, который будет использоваться для материаловедения и химии в Соединенных Штатах.
- В ознаменование 75-й годовщины своего основания в качестве национальной лаборатории Министерства энергетики США 14 июля 2022 года лаборатория Эймса переименована в Национальную лабораторию Эймса. [6]
Директора лаборатории Эймса
Известные выпускники и преподаватели
Фрэнк Спеддинг (бакалавр наук 1925, магистр наук 1926) (умер в 1984 году) руководил химической фазой Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны, что привело к первой в мире управляемой ядерной реакции. Он был вторым членом Национальной академии наук от штата Айова и первым директором лаборатории Эймса. Доктор Спеддинг получил премию Ленгмюра в 1933 году. Только Оскар К. Райс и Лайнус Полинг опередили его в этом достижении. Теперь эта награда называется премией по чистой химии Американского химического общества . Он был первым заслуженным профессором естественных и гуманитарных наук в штате Айова (1957). Среди других наград: премия Уильяма Х. Николса Нью-йоркского отделения Американского химического общества (1952); золотая медаль Джеймса Дугласа Американского института горного дела, металлургии и нефтяной промышленности (1961) за достижения в области цветной металлургии; и премия Фрэнсиса Дж. Клэмера от Института Франклина (1969) за достижения в области металлургии.
Харли Вильгельм (доктор философии, 1931) (умер в 1995 году) разработал наиболее эффективный процесс производства металлического урана для Манхэттенского проекта — процесс Эймса , который используется до сих пор.
Велмер А. Фассель (доктор философии, 1947 г.) (умер в 1998 г.), разработал аналитический процесс атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС), используемый для химического анализа во всем мире; бывший заместитель директора Лаборатории Эймса.
Карл А. Гшнайднер-младший (бакалавр наук 1952 г., доктор философии 1957 г.) (умер) избран членом Национальной инженерной академии в 2007 г. Гшнайднер был мировым авторитетом в области физической металлургии, а также термического и электрического поведения редкоземельных материалов. Гшнайднер был членом Общества минералов, металлов и материалов, членом Американского общества по материалам International и членом Американского физического общества .
Джеймс Ренье (доктор философии, 1955) (умер в 2019), [7] председатель и главный исполнительный директор Honeywell Inc. (1988–93).
Дарлин К. Хоффман (доктор философии, 1951 г.) , удостоенная Национальной научной медали 1997 г. , помогла подтвердить существование элемента 106 — сиборгия .
Джон Уивер (доктор философии, 1973) , названный журналом R&D Magazine «Ученым года» за 1997 год. Уивер возглавляет кафедру материаловедения и инженерии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне.
Джеймс Халлиган (бакалавр наук 1962 г., магистр наук 1965 г., доктор философии 1967 г.) , президент Университета штата Оклахома (1994–2002 гг.).
Аллан Макинтош (умер в 1995 г.), эксперт по редкоземельным металлам и президент Европейского физического общества .
Джеймс В. Митчелл (доктор философии, 1970 г.) , названный первым профессором Джорджа Вашингтона Карвера в Университете штата Айова в 1994 г. Он выиграл две премии R&D 100 Awards и престижную исследовательскую премию Перси Л. Джулиана, присуждаемую Национальной организацией профессионального развития чернокожих химиков и инженеров-химиков за инновационные промышленные исследования. Митчелл был вице-президентом Лаборатории исследований материалов в Bell Laboratories , Lucent Technologies .
Джон Корбетт (умер в 2013 году), химик и сотрудник Лаборатории Эймса, член Национальной академии наук , создал первый неуглеродный образец бакиболов ; открыл более 1000 новых материалов.
Кай-Мин Хо , Че-Тин Чан и Костас Сукулис , физики из лаборатории Эймса, первыми спроектировали и продемонстрировали существование фотонных кристаллов с запрещенной зоной, открытие, которое привело к развитию быстро расширяющейся области фотонных кристаллов . Ожидается, что фотонные кристаллы найдут революционное применение в оптической связи и других областях световых технологий. Сукулис является лауреатом Премии Декарта за выдающиеся достижения в научных совместных исследованиях , высшей награды Европейского союза в области науки.
Дэн Шехтман , специалист по материаловедению и инженерии, сотрудник Национальной лаборатории Эймса, удостоен Нобелевской премии по химии 2011 года за открытие квазикристаллов в Университете Джонса Хопкинса . [4] [5]
Патрисия Тиль (умерла в 2020 году), химия и лаборатория Эймса, получила одну из первых 100 премий Национального научного фонда для женщин в науке и технике (вручена в 1991 году). Также получила премию AVS Medard W. Welch Award, которая отмечает выдающиеся исследования в области материалов, интерфейсов и обработки (вручена в 2014 году).
Эдвард Йенг , химик и сотрудник лаборатории Эймса, первый человек, количественно проанализировавший химический состав одного человеческого эритроцита с помощью устройства, которое он спроектировал и построил; разработка может привести к улучшению обнаружения СПИДа, рака и генетических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, мышечная дистрофия и синдром Дауна. Йенг получил четыре награды R&D 100 Awards и награду Editor's Choice от журнала R&D Magazine за эту новаторскую работу. В 2002 году он был удостоен премии Американского химического общества в области хроматографии за свои исследования в области химического разделения. [8]
Клаус Рюденберг , физик и сотрудник Лаборатории Эймса, в 2001 году получил премию Американского химического общества по теоретической химии за новаторские исследования в области теоретической химии .
Пол Кэнфилд, Сергей Будько, Костас Сукулис , физики и сотрудники Лаборатории Эймса, вошли в список самых влиятельных научных умов мира по версии Thomas Reuters 2014 года. Премия присуждается авторам наибольшего количества высокоцитируемых статей (входящих в 1 процент лучших в своей предметной области и году публикации в период с 2002 по 2012 год).
Костас Сукулис , физик и сотрудник Лаборатории Эймса, получил премию Макса Борна от Оптического общества Америки в 2014 году. Награда присуждается ученому, внесшему выдающийся вклад в научную область физической оптики.
Ссылки
- ^ "Materials Preparation Center". Ames Lab . Получено 17 июля 2013 г.
- ^ "Главная страница". Лаборатория масштабируемых вычислений. Архивировано из оригинала 2 июля 2013 г. Получено 17 июля 2013 г.
- ^ "HINT". Университет имени Бригама Янга. Архивировано из оригинала 2013-07-24 . Получено 17 июля 2013 г.
- ^ ab "Dan Shechtman – Facts". Nobel Foundation . Получено 4 апреля 2024 г.
- ^ ab "Дэн Шехтман | Американская академия искусств и наук". Американская академия искусств и наук . Январь 2024 г. Получено 4 апреля 2024 г.
- ^ "Лаборатория Эймса теперь Национальная лаборатория Эймса | Лаборатория Эймса". www.ameslab.gov . Получено 14 июля 2022 г. .
- ^ "Некролог Джеймса Дж. Ренье". Minneapolis Star Tribune . Получено 12 апреля 2022 г.
- ^ "ACS Award in Chromatography". Американское химическое общество . Получено 12 апреля 2022 г.
Внешние ссылки
- Лаборатория Эймса
- Институт критических материалов
- Центр подготовки материалов
- Университет штата Айова
- Институт физических исследований и технологий Университета штата Айова
- Биографические мемуары Фрэнка Спеддинга, написанные Джоном Д. Корбеттом
