Proiectare atomică pentru o planetă fără carbon – „Pentru a ajuta la conservarea Pământului, în esență”

De

Manipularea materialelor la nivel de bază, Pe mineYou Li descoperă noi proprietăți pentru aplicațiile de alimentare.

În cea mai mare parte a carierei sale, Ju Li a înflorit în aspectele teoretice ale lucrării sale, care au investigat modul în care manipularea și restructurarea materialelor la scară atomică ar putea produce proprietăți macroscale surprinzător de noi și utile. Această cercetare, pe care a început-o în 1994 ca student absolvent al MIT, a fost plasată în „interfața dintre cunoscut și necunoscut”, spune Li PhD ’00, profesor al Alianței Energetice Battelle pentru Științe și Inginerie Nucleară (NSE) și profesor de Știința și Ingineria Materialelor. „A existat un fel de incertitudine în efectuarea cercetărilor care a fost foarte atrăgătoare pentru mine, aproape captivantă”.

Lucrarea lui Li modelând pozițiile atomilor „la felul în care Newton a urmat traiectoria planetelor”, spune el, a fost o formă de joc profund: „Știința era fascinantă și mă distram foarte mult făcând simulări despre electroni, atomi și defecte, “el spune.

Dar începând din 2011, după ce s-a întors la MIT ca membru al facultății, Li a început să-și pună la îndoială intențiile. „Pe măsură ce cineva îmbătrânește, nu este suficient doar să faci teorie și să vorbești despre știință”, spune el. „Știam de la sfârșitul anilor 1990 că schimbările climatice erau o problemă și mi-am dat seama că pot și ar trebui să fac multe pentru a contribui personal”.

Li a recunoscut că anii săi de simulare a materialelor microstructurale au oferit o platformă puternică de explorare a soluțiilor energetice pentru a ajuta la abordarea schimbărilor climatice. A început un program experimental în laboratorul său și, spune el, „m-am concentrat mai mult pe inginerie”.

Rezultatul: un avantaj al progreselor în materiale cu aplicații în energie nucleară, baterii și conversie de energie, cu implicații semnificative pe termen scurt și lung pentru decarbonizarea planetară. Lărgimea muncii sale, surprinsă în sute de articole din jurnal – doar în 2020 – a câștigat recunoștința lui Lee, inclusiv fiind ales în Societatea de Cercetare a Materialelor, Societatea Americană de Fizică și, chiar în noiembrie anul trecut, alegeri ca membru. Asociația pentru avansarea științei.

Dar ceea ce determină toată această productivitate „este simțul presiunii în timp”, spune Li, care a lansat ceea ce constituie o campanie ambițioasă „pentru a ajuta la salvarea Pământului, în esență”.

Ju Li

„Sensul presiunii timpului”, spune Ju Li, care a lansat ceea ce constituie o campanie ambițioasă „pentru a ajuta la conservarea Pământului, în esență”, este ceea ce determină marea sa productivitate. Credit: Gretchen Ertl

Căutați A + B

Ca o modalitate de a-și organiza portofoliul de cercetare în domeniul energiei în creștere și de a crea un model pentru comunitatea de cercetare mai mare, Li a adoptat o abordare în două părți, „A + B”:

„„ A ”este pentru acțiune, ceea ce înseamnă scalarea rapidă a tehnologiilor dovedite, cum ar fi energia nucleară și stocarea puterii bateriei, despre care știm că pot funcționa la scara de terawați necesară pentru a reduce CO2 „Emisiile drastice înainte de mijlocul secolului”, spune Li. “” B “este destinat tehnologiilor pentru copii, cum ar fi reactoarele avansate de separare și fuziune și calcul cuantic, noi tehnologii pe care trebuie să le cultivăm astăzi, astfel încât să fie gata de 20 până la 30 de ani. ”

Pământul ia foc, crede Li, și este important să direcționăm acum toată puterea tehnologiilor scalabile în aprindere. „Ați stins focul până în 2050, ați încetinit panta CO2 și creșterea temperaturii, apoi aducem sisteme energetice de curatare mai curate și mai avansate ”, spune el.

Pentru a-și sublinia angajamentul față de această abordare, Li a lansat anul trecut Simpozionul privind energia aplicată: MIT A + B, prezentând cele mai promițătoare materiale și tehnologii pentru impactul energetic imediat și viitor.

Cercetarea lui Li + A + B se bazează pe expertiza sa aprofundată în teoria materialelor, modelare și știință microstructurală. De mai bine de un deceniu, el investighează aplicații inovatoare pentru ingineria tensiunii elastice, o tehnică care pune solicitări mecanice mari asupra tracțiunii și forfecării în structura atomică asemănătoare rețelelor anumitor materiale pentru a genera altele noi. Optice, electrice, termice, catalitice și alte proprietăți. Această abordare a apărut pentru prima dată în anii 1990, când cercetătorii au împins rețeaua de cristal de siliciu cu 1% dincolo de starea sa inițială, permițând electronilor să călătorească mai repede prin material și creând baza pentru lasere și tranzistoare mai bune.

Grupul Li a încălcat limitele de tensiune elastică anterioare, eliberând mai mult potențial în material. Printre alte realizări, echipa sa poate întinde siliciu peste 10% și diamantul peste 7%, deschizând calea pentru semiconductori mult mai rapizi. Au dezvoltat catalizatori mai buni pentru pilele de combustibil cu hidrogen și pentru conversia energiei necesare pentru a transforma energia electrică din soare, eolian și nuclear în combustibili chimici care pot fi stocați. Echipa Li a demonstrat, de asemenea, supraconductori controlați de stres. „Acești conductori metalici întinși pot îmbunătăți semnificativ magneții supraconductori, precum și o transmisie eficientă a energiei pe termen lung”, spune el.

Nanocircuitul și nu numai

Într-o altă aplicație a ingineriei de stres, Li și asociații săi au reușit să întindă structuri de dimensiuni micronice, în formă uniformă, din material diamantat industrial, prin plasarea elementelor de fixare microfabricate cauzate de sistemele microelectromecanice. Aceste structuri, pe care Li le numește microbănci, au proprietăți electrice unice și pot fi copiate în masă. „Putem amplasa benzinăriile acestor micro-maluri în napolitane și fiecare dintre aceste poduri poate găzdui mii de tranzistoare”, spune Li. “Sperăm că pot fi utile în electronica de putere pentru fotovoltaica solară.”

Această lucrare în nanocircuitare face parte din eforturile extinse ale lui Li în domeniul calculelor avansate, care includ o serie de tehnici de inginerie. De exemplu, laboratorul său a învățat cum să manipuleze singuri atomi cu mare precizie, folosind fascicule de electroni foarte concentrate. „Putem să driblăm și să tragem atom„ca o minge de fotbal, controlându-i direcția și energia”, spune Li. Cercetarea este o cercetare pe care speră că va avansa procesarea cuantică a informațiilor, îmbunătățind multe domenii ale ingineriei, inclusiv tehnologiile A + B.

În paralel cu această muncă avansată de calcul, Li avansează cu aplicații critice de energie, ajutate de microscopie electronică de transmisie la fața locului, învățare automată și modelare a structurii electronice, un proiect în desfășurare: proiectarea bateriilor sigure și robuste cu stare solidă, folosind nanostructuri în fagure de tip fagure în formă care sunt durabile în contact cu litiu metalic puternic coroziv.

În arena energiei nucleare, Li dezvoltă materiale robuste pentru nanocompozite metalice armate, nanotuburi de carbon și nano-fire care pot supraviețui radiațiilor cu doze mari și temperaturi ridicate; Imprimarea 3D a conexiunilor refractare; și materiale realizate din cristal de ceramică-zirconiu care pot servi ca super izolator termic, primind căldură până la 1.400 de grade Celsius. De asemenea, el înființează procese de eliminare a gazelor și lichidelor radioactive în tratarea combustibilului nuclear uzat, în încercarea de a „închide complet ciclul combustibilului nuclear”, spune Li.

Pentru a face față acestei inundații de cercetare, Li este co-președinte al Centrului MIT pentru energie scăzută în carbon pentru energie în materiale și medii extreme, împreună cu profesorul NSE Bilge Yildiz.

De la teorie la echipament

Fiind copilul a doi ingineri care au construit centrale electrice în China, Li s-a simțit întotdeauna bine în ceea ce privește energia nucleară și alte tehnologii energetice sofisticate. Dar i-a plăcut programarea computerelor și fizica teoretică și nu s-a văzut niciodată ca inginer.

Prin mentorul său MIT, profesorul emerit Sidney Yip, care a acoperit domeniile științei materialelor și științei nucleare, Lee a observat pentru prima dată potențialul aproape nelimitat de a lucra cu materiale. „M-a modelat complet ca om de știință”, spune el. „Am descoperit cât de ignorant eram și cât de mult ar putea fi cercetarea interdisciplinară”.

După nouă ani departe de MIT „învățând corzile” la alte universități, Lee avea instrumentele la îndemână și noua hotărâre de a începe „să vină cu soluții materiale care sunt din ce în ce mai importante pentru problemele schimbărilor climatice”, spune el. „Trecerea de la simulările pe computer la dispozitivele actuale este acum ceea ce vreau să fac.”

Cu trei copii, Li se simte din ce în ce mai preocupat de urgența misiunii sale. „Aș vrea să văd câteva dintre descoperirile și invențiile mele repetate exponențial, fiind folosite cu adevărat de oameni”, spune el. „Visul meu este să fiu văzut fără carbon și să îmbunătățesc viața pe tot globul.”

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.