MIT李巨:无碳地球的原子尺度设计者

MIT李巨:无碳地球的原子尺度设计者

李巨,何许人也?

科大少年班,MIT博士,MIT工学院核科学与工程系及材料科学与工程系双聘教授,青年科学家,美国物理学会会士,美国材料研究学会会士,诸多荣誉加身。

MIT李巨:无碳地球的原子尺度设计者

MIT李巨教授


2月6日,科技日报报道了题为Atomic Design for a Carbon-Free Planet –“To Help Save Earth, Essentially”的科技新闻,讲述了李巨的科研人生和科研信念,作者为MIT核科学与工程系的LEDA ZIMMERMAN


MIT李巨:无碳地球的原子尺度设计者

李巨的科研人生

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作为建造中国核电站的两个工程师的孩子,李巨总对核能和其他先进能源技术抱有好感。但他热爱计算机编程和理论物理,从不认为自己是一名工程师。正是在MIT导师、横跨材料科学和核科学领域的名誉教授叶丘(Sidney Yip)的影响下,李巨首次看到了材料研究近乎无限的潜力。“这完全塑造了我作为一名科学家的形象,”他说,“我发现自己是多么的无知,也发现了跨学科研究的无限可能。”


自1994年开始,当时李巨还只是MIT的一名研究生,李巨教授一直致力于研究如何在原子尺度上操纵和重组材料,从而产生惊奇有用的宏观新特性。李巨的工作是模拟原子的位置。他说,“牛顿追踪行星轨迹的方式”是一种深度探索:“这门科学很有趣,模拟电子、原子和缺陷给我带来了很多乐趣。”


但从2011年回到MIT任教开始,李巨开始质疑自己的目标。“随着年龄的增长,仅仅做理论和谈论科学是不够的,”他说,“从上世纪90年代末我就知道气候变化是个大问题,我逐渐意识到我能够也应该做出一些贡献。”

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图| MIT李巨从基础水平操纵材料并揭示了能源应用的新特性。


MIT李巨:无碳地球的原子尺度设计者

科研信念和成就

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李巨表示,他多年的微结构材料模拟研究为探索能源解决方案以帮助应对气候变化提供了一个强大的平台。他在自己的实验室里启动了一个实验项目,以更加专注于工程研究。


这项研究结果是:在核能、电池和能源转换中不断涌现的材料对地球脱碳有重大的短期和长期影响。他丰硕的研究成果体现在数百篇期刊文章中,仅2020年就有45篇,其中有两篇分别发表在《科学》和《自然》上。这为李巨赢得了广大同行的认可,当选为材料研究学会、美国物理学会会员。在去年11月,李巨当选为美国科学促进会会员。现在,李巨已经是巴特尔能源联盟核科学与工程(NSE)教授、材料科学与工程教授。


李巨说,时间的压迫感推动了这个生产力,也激发他发起了一场名为“从本质上拯救地球”运动,表明他的壮志雄心。



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A+B研究

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为了组建自己的新兴能源研究组合平台,并为更大的研究团体建立一个模型,李巨采用了“A +B”两部分方法:


“A代表行动,意味着迅速扩大成熟的技术,如核能和电池储能。我们知道这些技术可以达到兆瓦级的规模,从而可以在本世纪中叶之前大幅减少CO2排放”;“B代表初级技术,比如先进的裂变和聚变反应堆,以及量子计算。我们今天必须培育的新技术才能在20到30年内准备就绪。”


李巨认为,地球正在着火,重要的是在这场大火中迅速调度扩展技术的全部力量。他说:“到2050年,人类扑灭了大火,减缓了CO2和温度上升的速率,然后引领更清洁、更先进的能源系统规模化。”为此,李巨去年发起了应用能源研讨会:MIT的A+B展示了对当前和未来能源影响最有希望的材料和技术。


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A+B研究成果

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李巨自己的A+B研究也获得了很多成果,这得益于他在材料理论、建模和微观结构科学方面深厚的专业知识。


1. 弹性应变工程

十多年来,他一直在研究弹性应变工程的创新应用。弹性应变工程是一种将巨大的拉伸和剪切机械应力施加在某些材料的原子晶格结构上,以产生新的光学、电学、热学、催化和其他性能的技术。这种方法最早出现在20世纪90年代,当时研究人员将硅晶格拉伸到初始状态的1%以上,从而使电子更快地穿过材料,为更好的激光器和晶体管奠定了基础。


李巨团队突破了以往的弹性应变极限,挖掘了更多的材料潜力。此外,他的团队可以将硅的应变提高到10%以上,金刚石的应变提高到7%以上,为更快的半导体技术铺平了道路。他们为氢燃料电池和将从太阳能,风能和核能产生的电能转化为可存储化学燃料的能量转换过程开发了更好的催化剂。他的团队还开发了应变工程超导体。他说:“这些应变金属导体可以显著改善超导磁体和高效的远程电力传输。”


2. 纳米电路

在应变工程的另一项应用中,李巨及其同事能够从工业金刚石材料中拉伸出微米级、形状均匀的结构,从而开发了由微机电系统触发的微型夹具。李巨称这些结构为微桥。微桥具有独特的电特性,可以大规模复制。“我们可以将数十亿个这样的微桥放置在晶圆上,每个微桥可以容纳数千个晶体管,”李巨说,“我们希望它们对太阳能光伏发电的电力电子设备有用。”


纳米电路方面的这个工作只是李巨在高级计算领域广泛成果的一部分。此外,他的实验室已经掌握了使用高度聚焦的电子束来高精度地操纵单个原子的技术。“我们可以像踢足球一样运球和射击原子,控制它的方向和能量,”李巨教授说。他希望这项研究能够推进量子信息处理、包括A+B技术在内的许多工程领域的发展。


3. 固态电池

除了这个先进的计算研究外,李巨正在关键能源应用方面奋进不息。借助于原位透射电子显微镜、机器学习和电子结构建模,李巨正在开展一个项目:设计安全,强大的全固态电池。这个电池采用蜂窝状纳米结构,以在与高腐蚀性锂金属接触时保持稳定。


4. 核能

核能领域,李巨正在开发坚固的碳纳米管和纳米线增强型金属纳米复合材料,这种材料能够承受高剂量辐射和高温。3D打印的耐火合金、陶瓷-锆晶体制成的材料可作为超级热绝缘体,能够承受1400℃的高温。李巨还说,他正在精心研究处理放射性核燃料的方法,以去除放射性气体和液体,以“完全关闭核燃料循环”。


为了完成这一大堆研究,李巨与NSE的Bilge Yildiz教授共同领导了MIT能量和极端环境低碳能源材料中心。


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从理论到器件

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在离开MIT的9年里,李巨在其他大学“学习了一些诀窍”。现在他有了方法和新的决心,可以开始“为气候变化问题提出越来越多的材料解决方案”。李巨说:“现在我喜欢做的事是从计算机仿真一直到实际器件的实现”


作为三个孩子的父亲,李巨发现自己越来越被任务的紧迫性所困扰。他说:“我希望看到我的一些发现和发明被成倍地复制,真正被人们使用”,“我的梦想是让我们看到无碳排放并改善的全球生活。”


原文链接:

https://scitechdaily.com/atomic-design-for-a-carbon-free-planet-to-help-save-earth-essentially/


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参考文献: