诺贝尔奖得主帮助庆祝材料发现与设计研究所的成立

斯坦利·惠廷汉姆因其在锂离子电池方面的研究而获得2019年诺贝尔化学奖。他为材料发现与设计研究所做了主题演讲。

气候变化、公共卫生以及获得食物和水的平等机会是人类面临的一些最大挑战，而材料科学可以帮助为所有这些问题提供解决方案。这是研究人员在9月29日庆祝加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所成立的活动上分享的信息，诺贝尔奖得主斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)发表了主题演讲。

惠廷汉姆说:“为了下一代，我们有责任帮助解决一些世界上最紧迫的问题。”他因作为锂离子电池的共同发明人而获得2019年诺贝尔化学奖。“材料科学可以帮助人类。”

材料发现与设计研究所(IMDD)是雅各布斯工程学院和物理科学部的合作项目。它的目标是利用研究人员的跨学科专业知识来发现、设计和表征应对全球挑战所需的先进材料。这项材料工作在开发零碳和低碳能源和运输系统方面有应用;具有成本效益的医疗保健解决方案;可持续性方面的进展;以及下一代信息技术。

惠廷汉姆还说，IMDD是进行这种高影响力研究的理想方法，因为它将来自不同学科的学生聚集在一起，允许他们在化学、物理、工程等研究小组之间移动。

“最令人兴奋的研究是在不同学科的接口上完成的，”惠廷汉姆说。“科学是没有界限的。”

加州大学圣地亚哥分校校长普拉迪普·k·科斯拉对此表示赞同。他说:“跨职能合作推动了这所大学每个部门和每个学院的学生、教师和研究人员的成功。”“加州大学圣地亚哥分校在材料科学方面的工作超越了创新。这是革命性的。IMDD将延续这一传统，加速合作、探索和变革突破。”

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的Shirley孟教授是新研究所的所长。

IMDD主任、雅各布斯学院纳米工程系教授雪莉·孟说，材料总是定义着人类历史的年龄，首先是通过名称，然后是通过暗示。例如，没有煤炭和钢铁就不可能有工业革命，没有半导体就不可能有信息时代。她补充说，现在是研究人员发现和创造定义人类世的材料的时候了。孟说:“我们没有走出石器时代，因为我们用完了石头。”

孟说，加州大学圣地亚哥分校的研究人员在这方面具有独特的优势，因为在过去的15年里，该校园与工业界和政府合作伙伴一起在人才和尖端工具方面进行了投资。例如，加州大学圣地亚哥分校拥有世界上分辨率最高的透射电子显微镜之一，在COVID-19大流行期间，研究人员仍在使用这种显微镜。

更重要的是，校园一直专注于将实验室的发现带入现实世界。孟表示:“创业精神是我们的DNA。”他指出，在加州大学圣地亚哥分校60年的历史中，已有近800家公司从该校剥离出来。

孟的学生之一Jungwoo Lee是South 8 Technologies公司的联合创始人，该公司为下一代锂电池开发液化气电解质。采用这种技术的电池有很多优势，包括在极端温度下工作，从太空的寒冷到死亡谷的高温。“我们不会让像压力这样简单的事情阻碍为未来提供动力的材料科学创新，”李说。

美国国家科学基金会资助一个材料研究科学与工程中心1800万美元

获得加州大学圣地亚哥分校材料科学1800万美元NSF资助的领导团队:从左起:Tod Pascal教授、Andrea Tao教授、Jon Pokorski教授、Nicole Steinmetz教授、Michael Sailor教授、Shirley孟教授和Stacey Brydges教授。

物理科学系教授、IMDD联合主任迈克尔·赛勒说，IMDD的研究工作得到了国家科学基金会1800万美元的资助，该基金于今年9月授予该校材料研究科学与工程中心。

赛勒说:“我们可以利用计算能力从原子开始设计材料。”“我们还可以利用生物技术中的工具来开发新材料。”

以前的MRSEC研究工作由纳米工程教授Andrea Tao和Tod Pascal领导;后者由纳米工程教授Nicole Steinmetz和John Pokorski完成。

从头开始制造材料

“如果我们能制造任何一种我们想要的材料呢?”帕斯卡问道。

这是他和其他研究人员正在努力实现的目标，他们专注于所谓的预测组装。从本质上讲，他们试图更好地理解小型积木的基本能量格局，弄清楚它们的表面化学成分和形状是如何决定它们如何以及在哪里粘在一起的。帕斯卡指出:“如此详细的知识是至关重要的，因为它决定了这些积木如何自我组织，形成大规模、复杂的材料。”

为了获得这种前所未有的洞察力，研究人员将首先使用强大的超级计算机和量子理论来了解这些材料。然后，材料化学家和工程师将与理论家携手合作，对这些计算得出的预测进行测试和验证。“我们有一个了不起的计算团队，在量子到介观水平上工作，他们是操纵纳米材料原子结构的专家，并使用高分辨率光谱和显微镜来描述这些变化。这是材料设计和发现的一站式商店，”Pascal补充道。通过使用这种科学武器库，研究人员将能够制造出能够适应环境的材料，以及具有随时间和对光等刺激做出反应的特性的材料。

帕斯卡补充说:“这将给材料科学带来革命。”

植物病毒成为有生命的物质

纳米工程教授妮可·施泰因梅茨(Nicole Steinmetz)利用植物病毒来制造新材料。

与此同时，对生物材料的研究正在利用生物技术革命的工具，如基因工程和合成生物学，来构建具有新型能力的新型材料。对斯坦梅茨来说，这意味着要研究植物和植物病毒。这些植物病毒被收获并重新用作纳米颗粒，激发哺乳动物的免疫系统，攻击肿瘤和转移。她还在研究如何将电子病毒添加到植物组织中，以创建可用于传感分子的植物半机械人。“植物病毒是可扩展的，”她说。“当你需要更多的时候，你就种更多的植物。”

研究生项目

这些研究目标中的许多都需要将学生培养成明天的研究人员，这一任务将由加州大学圣地亚哥分校的材料科学与工程研究生项目来完成，该项目由加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系教授普拉布·班达鲁(Prab Bandaru)领导。该项目包括大约100名教师和200名研究生。班达鲁说:“我们把学生聚集在一起，给他们一个共同的词汇。

海莉·赫希(Hayley Hirsch)就是其中一名学生，也是孟研究小组的成员。

当被问及IMDD启动活动时，赫希说:“很明显，加州大学圣地亚哥分校对材料科学的发展有着巨大的热情。”“无论是参与IMDD的人员的多样性，还是它提供的资源，都是加州大学圣地亚哥分校和整个材料科学领域的明显胜利。”

诺贝尔奖得主惠廷厄姆给赫希和其他研究生提了几句建议:“要愿意冒险，”他说。“你真正需要的是聪明的想法。”