无碳星球的原子设计–“从根本上帮助拯救地球”

麻省理工学院的鞠莉从根本上操纵材料，揭示了能源应用的新特性。

在其职业生涯的大部分时间里，Ju Li都在其理论方面取得了长足的发展，该理论研究了如何在原子级上操纵和重组材料如何产生令人惊讶且有用的新的宏观性质。巴特尔能源联盟核科学与工程系（NSE）教授，北卡罗莱纳州立大学教授Li Ph '00说，这项研究始于1994年，当时他是麻省理工学院的研究生，位于“已知与未知之间的界面”。材料科学与工程。“进行研究时存在一种不确定性，这对我非常有吸引力，几乎会上瘾。”

他说，李的工作以“牛顿跟踪行星轨迹的方式”对原子的位置进行建模，这是一种深奥的形式：他说：“科学令人着迷，而我在模拟电子，原子和缺陷方面也很有趣。”

但是从2011年开始，他以教职员工的身份回到麻省理工学院后，李开始质疑自己的目标。他说：“随着年龄的增长，仅做理论和谈论科学是不够的。”“自1990年代后期以来，我就知道气候变化是一个问题，我逐渐意识到，我个人可以而且应该做很多事情。”

李承认，他多年的微结构材料模拟为探索能源解决方案以解决气候变化提供了一个强大的平台。他在自己的实验室启动了一个实验程序，他说：“我变得更加注重工程学。”

结果是：在核能，电池和能量转换中应用的材料不断涌现，这对行星脱碳具有重大的近期和长期影响。他的工作的广度，在数百个期刊文章的拍摄 - 45在2020年只身 - 赢得了李的认可，其中包括当选为材料研究学会，theAmerican物理学会，并就在去年十一月，当选为一个家伙theAmerican协会科学的进步。

李说，但是推动所有这些生产力的“正在感觉到时间的压力”，他发起了一场雄心勃勃的运动，“从本质上帮助了拯救地球”。

“感受到时间的压力，”鞠莉发起了一场雄心勃勃的运动，“从根本上帮助了拯救地球”，这是他巨大的生产力的源泉。

为了组织自己的新兴能源研究投资组合，并为更大的研究社区建立模型，李先生采用了一种分为两部分的“ A + B”方法：

李说：“'A'代表行动，这意味着迅速扩大成熟的技术，例如核电和电池储能，我们知道这些技术可以达到所需的兆瓦级规模，从而可以大大减少二氧化碳排放量。”“‘B’代表婴儿技术，例如先进的裂变和聚变反应堆以及量子计算，这些新技术是我们今天必须培育的，以便它们在20到30年内准备就绪。”

李认为，地球正在着火，重要的是要在这场大火中直接指挥可扩展技术的全部力量。他说：“到2050年，您扑灭了大火，放慢了二氧化碳的排放和温度上升的速度，然后引入了更清洁，更先进的能源系统。”

为了强调他对这种方法的承诺，李先生去年发起了“应用能源研讨会”：麻省理工学院A + B展示了对当前和未来能源影响最有前途的材料和技术。

Li自己的A + B研究利用了他在材料理论，建模和微结构科学方面的深厚专业知识。十多年来，他一直在研究弹性应变工程的创新应用，该技术将巨大的拉伸和剪切机械应力施加于某些材料的晶格状原子结构上，以产生新颖的光学，电，热，催化，和其他属性。这种方法最早出现在1990年代，当时研究人员将硅晶格拉紧到其原始状态的1％以上，从而使电子能够更快地通过该材料，并为更好的激光器和晶体管奠定了基础。

Li的小组突破了先前的弹性应变极限，释放了更多的材料潜力。除其他成就外，他的团队可以使硅的应力超过10％，使金刚石的应​​力超过7％，从而为更快的半导体制造铺平了道路。他们已经开发出了更好的催化剂，用于氢燃料电池，以及将太阳能，风能和核能中的电能转化为可存储的化学燃料所需的能量转换。Li的团队还展示了应变工程超导体。他说：“这些应变的金属导体可以显着改善超导磁体，以及有效的远程功率传输。”

纳米电路及其他

在应变工程的另一个应用中，Li和他的合作者能够从工业金刚石材料中拉伸出微米级，形状均匀的结构，从而部署了由微机电系统触发的微型抓爪。李称这些结构为微桥，具有独特的电性能，可以大量复制。“我们可以将数十亿个这样的微桥放置在晶圆上，并且每个桥都可以容纳数千个晶体管，”李说。“我们希望它们能证明对太阳能光伏发电电子有用。”

纳米电路方面的这项工作是李鹏飞在高级计算领域所做的广泛努力的一部分，该工作融合了多种工程技术。例如，他的实验室已经学会了如何使用高度聚焦的电子束以极高的精度操纵单个原子。“我们可以像足球一样运球和射击原子，控制其方向和能量，”李说。他希望这项研究能够促进量子信息处理，推动包括A + B技术在内的许多工程领域的发展。

在这项先进的计算工作的同时，Li还在原位透射电子显微镜，机器学习和电子结构建模的帮助下，在关键能源应用方面取得了进步，一个当前项目：使用蜂窝设计安全，强大的全固态电池形的纳米结构，在与高腐蚀性锂金属接触时保持稳定。

在核能领域，Li正在开发坚固的碳纳米管和纳米线增强的金属纳米复合材料，这些材料可以在高剂量辐射和高温下生存。耐火合金的3D打印;以及由陶瓷-锆晶体制成的材料，可以用作热量的超级绝热材料，热量高达1400摄氏度。李还说，他还正在精心设计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”。

为了充实这项研究的水准，李正与NSE教授比尔格·耶尔迪兹（Bilge Yildiz）共同主持了MIT能源计划的低碳能源和极端环境材料能源中心。

从理论到装置

作为两个在中国建造核电站的工程师的儿子，李总对核能和其他先进的能源技术始终感到满意。但是他热爱计算机编程和理论物理学，从不认为自己是工程师。

通过他的麻省理工学院导师，名誉教授谢德尼·叶（Emeritus Sidney Yip）教授，他跨越了材料科学和核科学领域，他首先看到了处理材料的无限潜力。他说：“这完全使我成为一名科学家。”“我发现自己既无知又有多学科研究。”

他说，距离麻省理工学院“在其他大学学习绳索”已经有9年的时间了，李先生掌握了工具和新的决心，以开始“提出越来越多的相关材料解决方案来应对气候变化问题”。“现在，我很喜欢从计算机仿真一直到实际设备。”

李带着三个孩子，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成倍地被人们真正使用，”“我的梦想是看到我们实现无碳排放，并改善全球生活。”