巩固材质科学发掘实验室的情状影响,材质应用

来源:http://www.baohualocks.com 作者:西医资讯 人气:78 发布时间:2019-06-28
摘要:原标题:提高材料科学发现实验室的环境影响 新葡萄京娱乐场手机版 ,材料科学研究前沿:回顾与展望 asynt报道利物浦大学(英国)材料创新工厂的RannardGroup如何使用公司提供的新技术,

原标题:提高材料科学发现实验室的环境影响

新葡萄京娱乐场手机版 ,材料科学研究前沿:回顾与展望

asynt报道利物浦大学(英国)材料创新工厂的Rannard Group如何使用公司提供的新技术,帮助改善环境影响,并减少材料科学发现实验室内的水和电消耗。

本文2019年3月3日首发于里瑟奇智库公众号,参见:

材料创新工厂( MIF )是联合利华和利物浦大学(英国)的合作伙伴。MIF结合了材料化学领域的知识领先地位、多学科研究专业知识、设施和动态支持基础设施,为研究提供了无与伦比的欧洲设施。MIF中还包含利物浦大学对亨利·罗伊斯学院的贡献,该学院旨在支持英国政府通过材料科学和创新促进经济增长的工业战略。

现代材料科学以物理学、化学、生物学、数学、计算机和数据科学以及工程科学的知识为基础,使我们能够理解、控制和扩展材料世界。尽管材料科学植根于基于探究的基础科学,但它致力于发现和生产可靠且经济可行的材料,从超级合金到聚合物复合材料,这些材料被用于当今社会和经济所必需的大量产品中。 近日,美国科学院、工程院和医学科学院发布了全球材料科学研究报告《材料研究前沿:十年调查》(Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey (下文简称《报告》,英文版全文参见:)

我在真理教的日子2在MIF设施接受史蒂夫·兰纳德教授的研究小组的视频采访时描述了研究人员利用Asynt的可持续实验室设备获得的积极“绿色”影响。

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合成化学家通常需要在回流溶剂中在高温下进行反应——传统上,这是通过使用水驱动冷凝器在油浴中加热反应混合物来冷却热溶剂并防止蒸发来实现的。DrySyn多位置加热块使科学家能够进行清洁、安全的合成,而没有油浴带来的危险或问题。与CondenSyn空气冷凝器一起使用,而不是传统的水驱动冷凝器,实验室内的水和电消耗已经大大减少,并增加了消除洪水可能性的好处。

这份报告是应美国国家科学基金会和能源部要求撰写的,来自美国和全球材料科学的专家组,在深入和广泛的共识研究基础上,阐明美国和全球材料研究的现状和未来发展方向。报告这是材料研究的第三次十年调查。第一份报告题为《1990年代的材料科学和工程:保持材料时代的竞争力》,第二份报告题为《凝聚态物质和材料物理学:我们周围世界的科学》。

通过安装由Asynt提供的新Genlab E3干燥炉和Julabo循环器冷却系统,进一步改善了环境可持续性。与传统干燥炉不同的是,E3干燥炉隔热性能非常好,内置定时器和可调通风盖,在向实验室环境散热时浪费的能量很少。Julabo冷却系统取代了用于冷却旋转蒸发器冷凝器的浪费自来水消耗。

本报告回顾了材料研究的进展和成就,以及过去十年材料研究格局的变化,从材料类型、形式/结构、性质和现象以及材料科学全方位研究方法(包括实验、理论、计算、建模和仿真、仪器/技术开发、合成、表征等)等方面,全方位评估了最近十年美国和全球材料科学的发展现状。报告全面评估了过去十年材料研究的进展和成就,厘清了近十年来美国和全球材料研究的内部和外部环境的主要变化及其影响,面临的主要挑战和应对主措,提出了相关政策建议,包括未来十年的投资机会和新的研究领域,以及相关资助政策和产业政策。

史蒂夫·兰纳德教授评论道:

报告认为,在过去的十年中,材料研究取得了许多明显改变范式的进展,发现的速度也在加快。此外,支持这项研究的工具——包括材料表征、合成和加工以及计算建模的能力——已经取得了相当大的进步,使得以前无法实现的见解得以实现。科学和工程是令人兴奋的,创造和控制新材料的前景是很好的,重要应用的途径是非常令人鼓舞的。报告指出,最近十年来,全球材料研究的在几乎所有领域上都取得了重大突破,而美国大学、国家实验室和工业界主要是在材料生长、测量和计算方面取得了巨大的进步,但在其他方面还存在不足,来自中国和亚洲其他国家的竞争正威胁美国在材料研究方面的领导地位。报告建议美国国家相关机构要加大对材料研究的支持力度,确保美国材料研究的全球领先地位。

越来越多的人认为,我们不仅有能力进行先进的材料科学研究和制定,而且这样做是一种环境可持续的方式。我们对Asynt的投资肯定使我们能够降低集团MIF实验室的碳足迹”。

报告还指出了若干特别重要的材料研究的领域。如计算材料科学和工程领域,将计算方法(包括数据科学、机器学习和信息学)与材料表征、合成和加工方法相结合,加速材料发现和应用,并延伸到数字制造领域,其中增材制造和其他工艺将材料合成与制造直接联系起来。未来十年的另一个高度优选的领域是量子信息科学的材料,不仅包括量子计算,还包括存储、量子传感和通信技术,以及利用超导体、半导体、磁性材料、二维和拓扑材料等方面的进展等。

报告认为,材料科学和技术对全球环境质量和可持续发展也有巨大的影响。其中一个十分重要且活跃的领域是新型化学催化材料的设计,如等离子体辅助的热电子催化;材料可持续制造,包括原材料选择、节能制造和可回收等。报告认为,加大对材料研究基础设施支持力度,对材料科学健康发展至关重要。

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近十年来,材料研究的方方面面都取得了非凡的进展,几乎涵盖了所有的材料类型。例如,在上次系列报告中,对石墨烯的关注并不是很高,但这一领域目前已成为了比其他二维材料更激动人心的领域。石墨烯激发了人们对新物理现象的研究,在太阳能电池、晶体管、相机传感器、数字屏幕和半导体等许多电子应用领域具有潜在的应用价值。另一个活跃的领域是增材制造的发展,虽然这一领域只有几十年的历史,但目前已成为一个重要工艺,既可用于大规模生产,也可用于一次性按需制造。其他重要进展包括经济实惠的发光二极管照明、平板显示器和改进的电池等。

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材料科学一些重要研究进展是纯发现驱动科学的产物,而另一些则是通过协调一致的技术努力而产生的(如Gorilla Glass,[注]大猩猩玻璃是由前身是美国康宁公司在1960年代生产的,具防弹功能的特种玻璃,常被用于直升机,在正常情况下,非故意损坏不会造成划痕,是一种环保型铝硅钢化玻璃,现在主要应用于防刮划性能要求高的高端智能手机屏幕),还有一些则是这两者的某种结合(如增材制造和超分子材料vitrimers)。美国政府推出的材料基因组计划和国家纳米技术计划在促进美国材料研究方面发挥了重要作用。

在过去十年中,金属、块体金属玻璃、高性能合金、陶瓷和玻璃等领域取得了令人振奋的进展。由于复合材料和混合材料能够承受恶劣环境,如体相材料、复合材料和涂层材料,以及它们在设备中的功能性,因此它们已经得到了高价值的应用。涂层技术的进步提高了可靠性,并将其用于热保护和环境保护系统。在越来越多的应用中,分层材料系统正在取代先进的单片材料,在这些应用中,每一层的独特性能和功能显著提高了性能和寿命。在聚合物、各种生物材料以及软物质方面都取得了巨大的进展。

超导材料一直是一个富矿,而量子材料领域则更为普遍,正在迅速发展,包括量子自旋液体、强相关薄膜和异质结构、新型磁体、石墨烯和其他超薄材料,以及拓扑材料等。

材料科学在上述这些最新进展的基础上,预计未来十年还有其他许多研究机会,包括各种材料类别,预计拥有许多有价值的应用前景。例如,在金属和合金材料方面,未来将继续通过日益耦合的实验和计算建模,随材料条件和行为的变化进行实时表征。新的机遇还将来自设计、组成、加工和制造方法等方面的创新,这些创新利用了材料制造方面的先进能力。高熵合金(以可比浓度存在五种或五种以上元素)在未来十年将有着相当大的发展前景。这种材料提供了克服传统合金所面临的困境和障碍的可能性,例如强度和导电性的权衡。此外,在纳米金属合金等非传统领域的金属方面,预计也会取得进展。纳米结构金属合金的形态和复杂结构可以在纳米尺度上得到控制(例如纳米孪晶金属,nanotwinned metals)。

对金属、合金和陶瓷的研究继续提供对原子尺度过程的基本理解,原子尺度过程控制着许多种类材料的合成微结构-性能关系。有了这种理解和最先进的合成、表征和计算工具,新型合金和具有特殊性能的微/纳米结构正在被实现。传统的材料研究领域可以有惊人的新进展,例如,在多组分,高熵合金和无机玻璃。量子材料科学与工程,包括超导体、半导体、磁体以及二维和拓扑材料,代表了一个充满活力的基础研究领域。对材料科学的新理解和进展有助于在计算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域实现变革性的未来应用。这包括超越摩尔定律的新计算方向,如量子计算和神经形态计算,对于传统处理器的低能量替代品至关重要。国家科学基金会的两个“10个大创意”特别支持量子材料的支持(参见《量子跃迁:引领下一次量子革命和中尺度研究基础设施》)。

半导体和其他电子材料的大多数研究将继续受到信息和计算技术行业的推动,朝着越来越复杂的单片集成器件、功能更高的微处理器和充分利用三维布局的芯片方向发展。包括新器件材料,这些新器件结合了内存和逻辑功能,以及其他具有节能结构的器件,能够执行机器学习和其他算法,这些算法与传统的计算机逻辑和结构有很大的不同。能实现更高效的电力管理的材料研究也将继续成为一个主要焦点。二维材料,包括石墨烯,为探索表面电子态的性质提供了机会。通过对这类材料进行分层,层之间的弱相互作用和设计缺陷的存在,为发现提供了大量机遇,并为电子和光学应用提供了潜在的机会。拓扑材料的性质由其激发光谱的拓扑性质决定,将继续为探索提供广泛的领域,具有许多应用的潜力。在陶瓷领域,主要将围绕制造的节能工艺,这将使更致密和超高温陶瓷的生产成为可能。表征和加工能力的提高,为玻璃研究开辟了新的机遇,可能导致它们作为固体电解质用于储能和非线性光学器件。复合材料将越来越适合更先进的应用,远远超出传统的结构作用。

其他有希望的领域,包括将生物材料作为成分,并开发具有随时间以期望和可预测的方式变化的特性的材料。在混合材料领域,钙钛矿将继续引起人们的极大兴趣,这主要是因为它们对于单结太阳能电池的潜在优势。混合纳米复合材料由于其组成粒子具有良好的光学性能和高的载流子迁移率,在光电子学和光伏转换技术中具有广阔的应用前景。通过设计一种轻量化材料的复合电池,为航空航天、运输和能源生产等领域的一系列技术提供了机会。多功能材料,例如既提供结构又提供热管理、增强通信或传感能力的材料,是此类材料中越来越重要的部分。超材料是另一个重要的类别,其结构提供特定的功能响应,它们在许多不同的技术中提供了巨大的机会,如节能光源、传感应用、热工程和微波技术。

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