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诺贝尔奖得主帮助庆祝材料发现和设计研究所的成立

斯坦利·惠廷汉姆。

斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)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、公共卫生以及平等获得食物和水是人类面临的一些最大挑战,材料科学可以帮助为所有这些问题提供解决方案。9月29日,加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)举行了庆祝材料发现与设计研究所(Institute for Materials Discovery and Design)成立的活动,诺贝尔奖得主斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)发表了主题演讲,研究人员在会上分享了这一信息。

惠廷汉姆说:“我们应该帮助解决世界上一些最紧迫的问题,这是我们欠下一代的。”作为锂离子电池的共同发明人,惠廷汉姆获得了2019年诺贝尔化学奖。“材料科学可以帮助人类。”

材料发现和设计研究所(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。这种材料的工作在发展零和低碳能源和交通系统方面有应用;具有成本效益的医疗解决方案;先进的可持续性;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、工程等多个研究小组之间流动。

“最令人兴奋的研究是在不同学科的结合处进行的,”惠廷汉姆说。“科学是无国界的。”

UC圣地亚哥校长Pradeep K. Khosla呼应了这一点。“跨职能协作推动了我们学生,教师和研究人员的成功,以及这所大学的每一所学校,”他说。“在宇宙圣地亚哥发生的材料科学的工作超出了创新。这是革命性的。IMDD将继续传统并加速合作,探索和长期突破。“

雪莉孟。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的雪莉·孟教授是这个新研究所的主任。

IMDD主任雪莉·孟同时也是雅各布斯学院纳米工程系的教授,她说,材料总是决定着人类历史的时代,首先是名字,然后是暗示。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,是因为我们的石头用完了。”

孟说,加州大学圣地亚哥分校的研究人员在这方面处于独特的地位,因为在过去的15年里,校园与行业和政府合作伙伴一起投资于人员和尖端工具。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,研究人员仍在使用它。

更重要的是,校园一直专注于将实验室的发现进入现实世界。“企业家精神是我们的DNA,”孟说,注意到,近800家公司在其60年的历史中迅速摆脱了UC圣地亚哥。

孟以前的学生Jungwoo Lee与人共同创立了South 8 Technologies,这是一家为下一代锂电池开发液化气体电解质的公司。采用这种技术的电池有很多优点,包括可以在极端温度下工作,从寒冷的太空到炎热的死亡谷。“我们不会让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,”Lee说。

美国国家科学基金会为材料研究科学与工程中心拨款1800万美元

材料研究科学与工程中心研究团队。

在加州大学圣地亚哥分校获得了1800万美元的国家科学基金会材料科学拨款的领导团队:从左到右: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。

IMDD的研究工作受到来自美国国家科学基金会的1800万美元的赠款授予今年9月创造的材料科学和工程研究中心在校园,说IMDD主任迈克尔•水手教授在物理科学的划分。

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

前MRSEC的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妮可·斯坦梅茨(Nicole Steinmetz)和约翰·波考斯基(John Pokorski)完成。

从地面开始制造材料

“如果我们可以制造任何我们想要的材料呢?”帕斯卡问道。

这就是他和其他研究人员致力于预测装配的目标。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如何决定它们如何以及在哪里粘在一起。“这种详细的知识是至关重要的,”Pascal指出,“因为它决定了这些构件如何自我组织,形成大规模的复杂材料。”

为了获得这一前所未有的见解,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。根据这些计算得出的预测结果将由材料化学家和工程师与理论家们携手合作进行测试和验证。“我们有一个惊人的计算团队,在量子到介观水平上工作,他们是操纵纳米材料的原子结构的专家,并使用高分辨率光谱学和显微镜来描述这些变化。这是一个材料设计和发现的一站式商店,”Pascal补充说。通过使用这种科学武器,研究人员将能够制造出能够适应环境的材料,以及具有随时间变化和对光等刺激做出反应的材料。

“这将给材料科学带来一场革命,”帕斯卡补充道。

植物病毒变成了活的物质

妮可斯坦梅茨。

纳米工程教授尼科尔·斯坦梅茨(Nicole Steinmetz)利用植物病毒制造新材料。

与此同时,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,构建具有新能力的新材料类别。对斯坦梅茨来说,这意味着研究植物和植物病毒。这些植物病毒被收集起来,并被改造成纳米颗粒,激活哺乳动物的免疫系统,攻击肿瘤和转移瘤。她还在研究如何将电子病毒添加到植物组织中,以创造出可用于感知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。”

研究生课程

许多研究目标要求培养学生成为未来的研究人员,这项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名教员和200名研究生。班达鲁说:“我们把学生们召集在一起,给他们一个共同的词汇。”

海莉·赫希(Hayley Hirsch)就是这些学生之一,也是孟研究小组的一员。

“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,”Hirsch在被问及IMDD启动活动时表示。“无论是参与IMDD的人员的多样性,还是它提供的资源,对加州大学圣地亚哥分校和整个材料科学领域来说都是一个明显的胜利。”

诺贝尔奖得主惠廷汉姆对赫希和其他研究生提出了一些建议:“要愿意承担风险。”“你真正需要的是聪明的想法。”