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从核能中心迈向多领域研究高地

——美国阿贡国家实验室今昔
2023年09月13日 11:49:42 来源:科技日报 作者:张佳欣

  美国阿贡国家实验室(以下简称阿贡)隶属于美国能源部和芝加哥大学,坐落于伊利诺伊州的广袤土地上,占地面积达600多公顷,被6.9平方公里的森林保护区所环绕。

  作为一个多领域的科学和工程研究中心,大约2000多名才华横溢的科学家和工程师云集于此,共同解决关乎人类发展和地球命运的诸多挑战。通过与大学、工厂和其他国家实验室合作,阿贡的科学家们努力探索新途径来推动能源领域的科技创新,小到研究分子级别的新材料,大到探索广袤地球乃至浩瀚宇宙。

  同时,阿贡地处世界多家顶级研究机构附近,利用这一区位优势,阿贡在广泛的核心科学领域,从高能物理、材料科学到结构生物学和先进计算科学等领域,引领、发现并推动创新。

  诞生于“曼哈顿计划”

  阿贡是曼哈顿工程的一部分,其前身是芝加哥大学的冶金实验室。1942年12月2日,著名物理学家恩里科·费米领导的团队在此成功建立了世界上第一个可控核反应堆(芝加哥一号堆),完成了曼哈顿计划的重要一环,也标志着人类从此迈入原子能时代。

  1946年7月1日,该实验室正式被特许成立的美国第一个国家实验室,进行“核子学合作研究”。实验室相继设计和建造了多个反应堆,其中包括实验增殖反应堆一号。1951年,这个反应堆点亮了4盏灯泡,人类第一次用上了核电。这为目前世界各地大多数用于发电的商业反应堆的设计奠定了基础,并为未来商业电站的液态金属反应堆的设计提供了参考。

  与此同时,该实验室还帮助设计了世界上第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号的反应堆。1958年,这艘潜艇完成了从冰下穿越北极点的壮举。

  如今,该实验室的研究目标已经从和平开发利用原子能扩展到更大范围。

  历史上革命性突破令人瞩目

  除了核技术遥遥领先,阿贡也是美国物理、化学和其他领域基础研究的开创性中心。

  1955年,阿贡化学家与合作者发现了元素锿和镄,即元素周期表中的第99号和第100号元素。1962年,实验室化学家制造出第一种惰性气体氙气化合物,开辟了化学键研究的新领域。1963年,科学家发现了水合电子,这是溶液中的自由电子,也是可能存在的最小阴离子。

  同年,阿贡和加州大学芝加哥分校的研究员玛丽亚·格佩特·梅耶尔因发现原子核核壳模型而获得诺贝尔物理学奖。这一发现让科学家们对原子核的性质有了最深刻的见解,并为未来几十年的核物理学开辟了新的道路。

  当12.5GeV零梯度同步加速器选址“花落”阿贡时,该实验室的高能物理也取得了飞跃发展。这一加速器于1963年投入使用。

  该实验室还孵化了强大的电池研究项目。20世纪90年代,阿贡科学家发明了一种革命性的正极材料,这种材料比其他电池材料寿命更长、储存能量更多。此外,阿贡首创的镍—锰—钴阴极材料已被授权应用于通用汽车在内的全球制造商。

  诸多科学设施助力科研发现

  阿贡也因有诸多庞大而复杂的科学设施而闻名。每年,有6000多名研究人员前来参观这些设施,并利用其在广泛的科学和工程领域展开开创性研究。

  1995年建成的先进光子源(APS)本质上是一种功能强大的X射线机器。APS已经为多项获得诺贝尔化学奖的研究铺平了道路,但它仍孜孜不倦地全天候运转,帮助科学家对从癌症药物到蝴蝶翅膀等各种材料进行成像。

  2006年,阿贡开发了另一个国家用户设施——阿贡领导力计算设施(ALCF)。从557万亿次浮点的Intrepid、10千万亿次浮点的米拉(Mira),到15.6万亿次浮点的西塔(Theta),再到每秒可执行200亿亿次浮点计算“极光”(Aurora),科学家们使用一代又一代超级计算机对材料、气候、疾病等现象和物质进行着建模和模拟实验。

  该实验室还建立了纳米材料中心,从此促进了各种产品的开发,从用于人造视网膜和加速器的超纳米晶金刚石薄膜,到可以吸收大量泄漏石油的特殊海绵。

  2020年,美国能源部阿贡国家实验室于2020年牵头组建Q-NEXT量子研究中心,专注于如何可靠地控制、存储和传输量子信息。

  从诞生至今77年,历史和实践见证阿贡成为从核能到计算机,从X射线科学到能量存储等许多科学领域的先驱。作为美国的第一个实验室,阿贡国家实验室拥有令人骄傲的科研传统,而这也将为今天和未来的研究奠定深厚的基础。

[编辑: 陈路漫]
(本文来源:科技日报)
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