埃姆斯國家實驗室

埃姆斯國家實驗室(英語:Ames National Laboratory),舊稱埃姆斯實驗室(英語:Ames Laboratory),是美國能源部下屬的國家實驗室,位於艾奧瓦州埃姆斯,附屬於愛荷華州立大學。實驗室致力於新材料的設計、合成與製備;材料的表徵計算化學凝聚體物理學理論等方面的研究[3]。實驗室位於愛荷華州立大學的校園內。

埃姆斯國家實驗室
Ames National Laboratory
箴言創造材料與能源解決方案
"Creating materials and energy solutions"
創建時間1947
研究性質應用材料科學與工程
化學與分子科學
凝聚態物理和材料科學[1]
預算$5.4 千萬美元(2016年)[2]
主任亞當·斯瓦茨(Adam Schwartz)
員工數目310(2016年)[1]
學生人數149(2016年)[1]
位置 美國愛荷華州埃姆斯
實驗室面積8英畝(3.2公頃)(2016年)[1]
主管機構愛荷華州立大學
網頁Ames Laboratory

2013年1月,美國能源部宣布在埃姆斯實驗室建立關鍵材料研究所(Critical Materials Institute,CMI)以解決美國國內日益短缺的稀土金屬資源問題,以及發展其他與美國能源安全相關的材料[4]

歷史

1940年代

1942年,弗蘭克·斯佩丁英語Frank Spedding作為愛荷華州立學院(Iowa State College,愛荷華州立大學的前稱)的稀土金屬專家,主持成立了名為「埃姆斯計劃」的科研項目[5]。這個服務於曼哈頓計劃的項目旨在為原子彈的研究提供大量高純度的。項目副總監哈雷·A·威爾亨姆英語Harley A. Wilhelm發展了一種新方法(後被稱為「埃姆斯過程英語ames process」)提純鈾[6]。藉助此提純方法,埃姆斯計劃為芝加哥1號堆提供了約兩噸的鈾[7],占反應堆使用鈾總量的三分之一。直至1945年,埃姆斯計劃總計產出逾兩百萬磅(1000噸)鈾供曼哈頓計劃使用[8]

二戰結束後,埃姆斯計劃獲得了美國海軍「E」傑出獎英語Army-Navy ‘E’ Award for Excellence的榮譽[9],表彰該計劃在兩年半的時間內,對重要戰爭物資——金屬鈾的工業化生產作出的傑出貢獻。作為教育機構,愛荷華州立大學獲得了這項一般只會頒發給企業的榮譽[10]。埃姆斯計劃中的其他關鍵成果還包括:

  • 發展了一種可從金屬廢料中提取鈾的工序[11]
  • 大量生產了。二戰前每克釷的售價為5美元,而埃姆斯計劃中生產的每克釷的價格最後下降為不到5美分[5][12]

由於埃姆斯計劃的成功,美國原子能委員會於1947年5月17日[13]正式建立了埃姆斯實驗室。

1950年代

埃姆斯實驗室有關稀土元素的工作[14][15][16],讓實驗室取得了該領域內的一定聲望。實驗室的科學家也對核燃料以及核反應堆的結構材料進行了研究[17]。為了把科研成果轉化為工業上的應用,實驗室的大部分設備都被用作大型工業化生產的模型,來進行稀土金屬的生產試驗與測試[18]

同時期的其他關鍵成果:

1960年代

由於在新材料的探索研究方面的需求,實驗室的雇員數量在1960年代達到了頂峰[23]。為了開展中子衍射實驗,實驗室於1961年開始籌建一個五兆瓦的重水反應堆,並於1966年6月開始運行[24][25]。美國原子能委員會在埃姆斯實驗室建立了一個稀土信息中心(Rare-Earth Information Center),為科研團體提供有關稀土金屬與其化合物的各種信息[26]

同時期的其他關鍵成果:

  • 發現了一種新的同位素:銅-69[27]
  • 修建了世界上第一個成功連接反應堆運作的同位素分離器——TRISTAN(Terrific Reactor Isotope Separator to Analyze Nuclei)[28]
  • 實驗室的物理學家成功生長了第一塊大體積的固態晶體,並藉此測量了固態氦的熱容[29]

1970年代

由於美國原子能委員會在1970年代被併入美國能源部[30],有一些研究項目被關閉,又有一些新的研究項目被開啟。美國聯邦政府重整合併了一些反應堆,導致埃姆斯實驗室的反應堆於1977年被關閉[24]。埃姆斯實驗室開始着重於應用數學太陽能化石燃料污染控制的研究。

同時期的其他關鍵成果:

1980年代

在1980年代,埃姆斯實驗室以滿足當地和國內的能源需求為目標開展了各項研究。化石燃料研究着眼於如何更為清潔地燃;新技術被用於清理放射性廢料高性能計算被加入到應用數學固體物理學的研究項目中[18]。此外,美國能源部在埃姆斯實驗室建立了材料製備中心(Materials Preparation Center)[35],向公眾提供新材料發展的相關信息。

同時期的其他關鍵成果:

1990年代

在新材料的開發研究中,埃姆斯實驗室延續着自己將基礎科研成果轉化為工業應用的努力。實驗室建立了可擴展計算實驗室[40],不但發展了並行計算,也為其他的科學家提供了廉價的計算資源。另外,研究者發現了第一個由非碳原子組成的富勒烯[41];發展了一種DNA序列分析儀英語DNA sequencer,比其他的同類儀器快24倍[42]

同時期的其他關鍵成果:

  • 發展了 HINT 基準(benchmarking)技術,用於對不同量級的電腦的性能進行客觀比較。源程序現存於楊百翰大學的網站[43]
  • 改進了高壓氣體霧化(high pressure gas atomization)的工藝,可將熔融金屬轉化為細顆粒的金屬粉末[44]
  • 發現了一種可應用於磁致冷英語Magnetic refrigeration的新材料[45]
  • 發展了一種高強度的無鉛焊料[46][47]
  • 發明了一種毛細管電泳技術,可同時分析多種化學樣品,在藥品學遺傳學醫學以及司法科學中有實際應用。這項研究衍生產業(Research spin-off)催生的Combisep公司已經成功地商業化了該技術[47]

2000年代

2011年至今

  • 發展了一種可將熱能轉換為電能的新合金,轉換效率比現有技術高出25%。此項新研究可在未來用於提高熱傳導發電機的工作效率[52]
  • 韓國工業技術研究所英語Korean Institute of Industrial Technology簽訂諒解備忘錄,增進稀土元素研究的國際合作[53]
  • 埃姆斯實驗室的科學家丹·謝赫特曼准晶的發現榮獲2011年的諾貝爾化學獎[54]
  • 實驗室的科學家使用氣體霧化(Gas atomization)技術,將粉的產率提高到傳統方式的十倍有餘。此項研究在美國下一代尖端能源創新者挑戰(America’s Next Top Energy Innovator Challenge)中獲獎[55]。藉助此技術成立的艾奧瓦州粉霧技術公司(Iowa Powder Atomization Technologies)於2014年被普萊克斯公司英語Praxair接管[56]
  • 對下一代鋁-鈣化合物供電傳輸線的研究。這種電線將會更輕,強度更強,且它的電導率至少比現有的直流電輸電線要高百分之十[57]
  • 美國能源部於2013年下撥實驗室資金1.2億美元啟動一個新的能源創新樞紐(Energy Innovation Hub)——關鍵材料研究所(Critical Materials Institute)的建設。研究所將集中精力尋找替代方案以減少美國對關鍵材料的依賴,從而引導美國工業向潔淨高效的方向發展[58]
  • 2014年,靈敏儀器研究設施(Sensitive Instrument Facility,SIF)開始動土。SIF將成為實驗室現有的透射電子顯微鏡以及其他的高精尖靈敏儀器的放置點,可以為設備提供隔絕振動、電磁以及其他類型擾動的環境[59]。SIF 已於2016年5月6日正式落成[60]
  • 添置了一台動態核偏振英語Dynamic nuclear polarisation(dynamic nuclear polarization,DNP)固態核磁共振波譜儀。DNP-核磁共振可以幫助科學家理解單個原子是如何在材料中排列的。這是全美第一台被用於研究材料科學和化學的DNP-核磁共振儀[61]
  • 2022年7月,於慶祝實驗室建立75周年之際,實驗室名稱由先前的「埃姆斯實驗室」改名為「埃姆斯國家實驗室」。[62]

歷屆主任

# 主任 開始年份 結束年份
1 弗蘭克·斯佩丁(Frank Spedding) 1947 1968
2 羅伯特·漢森(Robert Hansen) 1968 1988
3 托馬斯·巴頓(Thomas Barton) 1988 2007
4 亞歷山大·金(Alexander King ) 2008 2013
5 亞當·施瓦茨(Adam Schwartz ) 2014 現任

相關著名科學家

參考文獻

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外部連結

42°01′50″N 93°38′54″W / 42.0305°N 93.6482°W / 42.0305; -93.6482