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美国国家实验室75项突破性研究
  • 美国国家实验室75项突破性研究

    Innov100
    2020-06-04 17:42:52
  • 不得不承认,吸收了全世界大量顶级科技工作者的美国仍是目前人类先进科技的最大贡献者。这些尖端科技成果大多出自于美国的研究型大学、商业科技公司、国家实验室或者各组织之间合作。不久之前,美国能源部发布了其监管下的17个美国国家实验室自建立以来取得的75项重大突破性研究成果。今天,小编就带领大家一睹为快,看看这些75项重大突破有哪些,以及有哪些又和我们的生活和研究息息相关呢?

    

    1. 超级计算机

    国家实验室拥有一些最重要的高性能计算资源,包括世界上500台最快的超级计算机中的32台。这些系统以每秒千万亿次的运算速度对复杂的动态系统进行建模和模拟(例如核威慑,这种系统过于昂贵、不切实际或不可能进行实物演示)。超级计算机正在改变科学家探索宇宙演化、气候变化、生物系统、天气预报甚至可再生能源的方式。

    

    2. DNA数据库建立

    1990年,美国国家实验室与美国国立卫生研究院(NationalInstitutes of Health)等实验室联手启动了人类基因组计划(Human Genome Project),这是一项国际合作项目,旨在识别和绘制人类基因组的所有基因。

    

    3.构建互联网

    寻求共享粒子物理信息的国家实验室科学家,首先在北美安装了一个网络服务器,开启了我们所知的全球网络的发展。

    

    4.天眼的建立

    Vela卫星于1963年首次发射,用于探测潜在的核爆炸,它改变了美国刚刚起步的太空计划。这些卫星包括由国家实验室设计和制造的光学传感器和数据处理、逻辑和电源子系统。

    

    5. 核医学的建立

    国家实验室的研究人员开发了核医学领域,生产了用于诊断和治疗疾病的放射性同位素,设计了用于检测癌症的成像技术,同时开发了针对肿瘤的软件。

    

    6. 为NASA飞行器提供能源

    美国国家实验室为放射性同位素热电发电机建造了外壳,这些发电机为卡西尼号等飞船提供燃料,并已开始为NASA未来的任务生产钚238。

    

    7. 核能的开发和应用

    国家实验室的科学家和工程师在开发安全、高效和无排放的核能方面走在了世界的前列。从第一个核反应堆发电开始,国家实验室一直是和平利用核能的创新引擎。今天的实验室正在支持新一代的核能,这些核能将为国家和世界所用。

    

    8. 水净化

    从饮用水中去除砷是全球的优先事项。国家实验室设计的一种长效粒子现在可以做到这一点,使受污染的水可以安全饮用。另一项由国家实验室开发的技术是利用紫外线杀死水中引起痢疾的细菌,从而降低发展中国家儿童的死亡率。

    

    9. 完善蛋白质数据库

    在蛋白质数据库中,国家实验室的X-射线设备提供了超过10万个蛋白质结构的很大一部分。蛋白质的结构揭示了它的功能,帮助科学家了解生物如何工作和开发疾病的治疗方法。几乎所有进入市场的新药都是从这些数据库结构开始的。

    

    10. 高强度金属材料

    国家实验室提供的理论、工具和技术为工业提供了革命性的材料,如强度高、重量轻的金属和合金,节省了燃料和维护成本,使发动机更清洁、更高效。

    

    11. 发现信使RNA

    国家实验室的科学家们发现了基因指令是如何被传送到细胞蛋白质制造中心的,所有生命的过程都是从这里开始的。随后对被称为信使RNA的基因信使的光源研究揭示了信息是如何转录的,以及错误是如何导致癌症和先天缺陷的。

    

    12. 绘制了宇宙和月球的背面

    国家实验室的科学家们绘制出了3D天空地图和4亿个天体,他们还开发出了一种可以捕捉整个月球背面的相机。

    

    13. 阐明光合作用

    国家实验室的科学家通过光合作用确定了碳的路径,如今可以使用X-射线激光技术来揭示这个过程中的每一步是如何被一个单一的光粒子触发的。这项工作帮助科学家探索从太阳获取可持续能源的新方法。

    

    14. 分析历史作品

    由中世纪的僧侣改写的古代数学家阿基米德的著作已近遗失(模糊)了数千年,多亏了国家实验室的X射线视力和光源技术,这些作品才得以向现代人的眼睛展示。这些研究还揭示了名画、古希腊花瓶和其他无价的文化艺术品的秘密。

    

    15.革命性加速器的建立

    一个国家实验室建立并运行了第一个基于超导射频技术的大型加速器。现在,这种更高效的技术为研究机器提供了动力,用于探索物质的核心,研究材料的特性,并提供有关生命构建模块的独特信息。

    

    16. 揭示了物质的秘密

    质子和中子曾经被认为是不可分割的。国家实验室的科学家发现,质子和中子是由更小的部分组成的,称为夸克。随着时间的推移,实验人员发现了六种夸克、三种中微子和希格斯粒子,改变了我们对物质世界运作方式的看法。

    

    17. 证实宇宙大爆炸并发现暗能量

    NASA卫星上的国家实验室探测器揭示了宇宙大爆炸的回声中星系的诞生。国家实验室的宇宙学家也发现了暗能量。暗能量是一种神秘的物质,占宇宙的四分之三,并使其加速膨胀。

    

    18. 发现22个化学元素

    如果没有国家元素周期表会更小。国家实验室迄今为止已经发现:锝,钷,砹,镎,钚,镅,铯,锫,锎,锿,镄,钔,铹,钅卢,钅杜,钅喜,钅夫,镆,鉝,钿和气奥。

    

    19.开发新型制冷剂

    美国国家实验室的科学家们表示,下一代冰箱很可能将不再使用有害的化学冷却剂,而是使用一种对环境友好的合金。

    

    20.无铅合金

    得益于一家国家实验室开发的锡银铜无铅合金,从环境中去除有害的铅焊料成为了现实。这种无铅焊料已获得全球60多家公司的许可。

    

    21.吸收原油的海绵

    国家实验室的科学家利用纳米技术发明了一种新型海绵,它可以从水中吸收自身重量90倍的油。它可以收集石油并重复使用数百次,它可以收集沉入海底的石油,这是以前的技术无法做到的。

    

    22. 将冲床引入增材制造

    国家实验室首创的高压气体雾化处理技术使增材制造和粉末冶金中使用的钛和其他金属钛合金粉末的生产成为可能。

    

    23. 开发廉价催化剂

    低成本催化剂是高效生物质精炼的关键。国家实验室的科学家创造了廉价和稳定的生物质转化催化剂。

    

    24. 高科技涂层来减少摩擦

    国家实验室科学家创建在设备和构件表面添加如金刚石膜的涂层方法来减少机器的磨损,这种方法可以提高发动机的寿命并且减少润滑油的用量。

    

    25. 给伏特充电

    国家实验室开发了可以给雪佛兰伏特充电的先进阴极技术。

    

    26. 用水泥粘合新材料

    国家实验室的科学家们已经开发出一种新型的多功能材料,它将陶瓷和混凝土的特性混合在一起,形成一种无孔产品,可以做任何事情,从密封油套管到额外防火隔离墙。

    

    27.高效输电系统

    由超导体制成的新型电力线可以输送电流而不损耗电能。这些原型机现在由国家实验室的科学家部署,可能会开启一个超高效电力传输的新时代。

    

    28. 早期宇宙的夸克汤

    国家实验室的科学家们使用粒子对撞机来重现宇宙大爆炸后不久仍然存在的原始物质。研究还在扩大科学家对极端温度和密度下物质的理解。

    

    29. 磁悬浮列车

    国家实验室的科学家们开发了一项技术,利用磁铁的吸引力和排斥力使火车悬浮和推进。磁悬浮列车现在在日本和中国运送乘客,很快将在其他国家投入使用。

    

    30. 开发高效燃烧器

    国家实验室的研究人员开发出了更清洁的燃油燃烧器,为消费者节省了250多亿美元的燃料成本,并减少了160多兆吨的二氧化碳排放。

    

    31. 改善汽车钢

    一家拥有国家实验室背景的公司正在开发一种比普通钢轻得多的金属,这种金属保留了钢的强度和延展性,可以在无需对汽车制造基础设施进行重大改动的情况下进行制造。

    

    32. 探测武器内部

    国家实验室的研究人员发明了一种设备,可以识别可疑化学和爆炸性弹药和容器的内容,同时最大限度地减少对相关人员的风险。该技术可以快速识别武器的化学成分,已被用于核实世界各地的条约。

    

    33. 建立核安全模型

    国家实验室的科学家开始开发反应堆漂移和泄漏分析程序(RELAP)来模拟核反应堆冷却剂和堆芯的行为。今天,RELAP已在世界各地使用,并已获得核应用和非核应用的许可,包括喷气飞机发动机和化石燃料发电厂组件的建模。

    

    34. 识别胆固醇

    20世纪60年代,当国家实验室的研究揭示了胆固醇的好处和坏处时,对抗心脏病的斗争得到了推进。如今,检测这两种胆固醇的诊断测试可以挽救生命。

    

    35. 恐龙灭绝原因调查

    国家实验室的科学家在1980年发现小行星与地球的碰撞是恐龙突然灭绝的主要原因。

    

    36. 无二氧化碳排放的冷却材料

    国家实验室的研究人员和政策专家率先分析和实施了屋顶冷却材料,这种材料可以反射阳光,降低表面温度,降低冷却成本。

    

    37.生物基燃料

    美国国家实验室的科学家们帮助开发了一种微生物,这种微生物可以直接从生物质能中生产燃料。

    

    38. 储氢纳米材料

    为了取代汽油,氢必须安全储存并易于使用,而这一点已被证明是难以实现的。国家实验室研究人员现在已经设计出一种新的柔韧材料,这种材料使用纳米颗粒,可以快速吸收和释放氢气而不产生不良影响,这是使燃料电池汽车成为商业现实的重要一步。

    

    39. 氡气的监控和危险评估

    国家实验室对部分地区氡气造成的健康风险进行了量化研究。随后的EPA标准,加上一个国家实验室研究小组率先采取的氡检测和缓解措施,防止了自然产生的氡气渗入地下室,每年挽救了成千上万人的生命。

    

    40. 微型采样器

    一种能够识别空气、水和土壤样本中的微生物的工具,正迅速成为公共卫生、医疗和环境清理项目的主力。这款信用卡大小的设备由美国国家实验室的科学家们研发,它可以精确定位导致珊瑚礁死亡的疾病,并对美国城市上空的空气细菌进行分类。它还被用来迅速分类深水地平线漏油事故的油柱中的噬油细菌。

    

    41. 纳米机器

    世界上最小的合成马达——以及比人类头发还要细10万倍的收音机、天平和开关——都是在一个国家实验室设计的。这些以及其他对纳米技术的探索可能会导致拯救生命的药物和更强大的计算机。

    

    42. 修复声音

    国家实验室的科学家们设计了一种高科技的方法来数字化重建那些太脆弱而不能播放的老化的录音,比如爱迪生19世纪末的蜡瓶。档案学家估计,包括美国国会图书馆在内的世界声音档案中的数百万份录音可能会受益于这项技术。

    

    43. 透视炸药

    国家实验室技术人员开发了一种信用卡大小的探测器,它可以在短短几分钟内筛查出30多种爆炸物。这种被称为“精英”的探测器不需要警察,广泛应用于军队、执法部门和安全部门。

    

    44. 强化飞机

    国家实验室和工业技术通过激光脉冲对金属进行轰击来强化金属,这为飞机工业节省了发动机和飞机维护费用上亿美元。

    

    45. 仿真模拟

    国家实验室研究人员开发了DYNA 3D计算机模拟软件,它可以使如火车、飞机和汽车这些物体和器件变得更安全、更坚固以及设计得更好。

    

    46. 发现中微子

    国家实验室的研究人员对中微子物理学和天体物理学做出了许多贡献,如弗雷德·莱因斯和克莱德于1956年因为中微子的发现获得诺贝尔物理学奖。

    

    47. 发现伽马射线暴

    1973年,美国国家实验室研发的传感器被安装在Vela卫星上,用于发现伽马射线暴(grb)。grb是来自遥远星系的高能爆炸。科学家们认为,这些爆发大多是由快速旋转的大质量恒星坍缩形成中子星、夸克星或黑洞时释放的窄束强辐射组成的。

    

    48. 建立超强磁场

    2012年3月,国家实验室的科学家们实现了100.75特斯拉的磁脉冲,创造了一项世界纪录。这个脉冲比地球磁场强近200万倍。这个100特斯拉的多丸磁铁可以反复使用而不被它所产生的磁场力破坏,产生了世界上最强大的非破坏性磁场。

    

    49. 气凝胶的热应用

    国家实验室的研究人员完善了气凝胶,即冷冻烟。他们是有史以来最轻的固体,并有最高的耐热性的任何材料测试。它们还具有防火性能,非常强壮,能够承受自身重量一千倍以上的重量。由于其耐热性,气凝胶在建筑、车辆、过滤器和家用电器的绝缘方面具有突出的应用前景。

    

    50. 发明细胞分选仪

    在20世纪60年代,一位国家实验室物理学家发明了一种“细胞分选仪”——一种工作原理很像喷墨打印机的新型设备,它可以引导含有细胞的微小液滴流动,从而使感兴趣的细胞发生偏转,以便进行计数和研究。细胞分选仪是研究包括癌症和艾滋病在内的许多疾病背后的生物化学的重要工具。

    

    51. 引领国内能源复兴

    美国国家实验室的研究为低成本开采的关键技术和方法指明了方向,从而开启了页岩气革命。据估计,从1976年到1992年,在非常规天然气研究和开发方面的研究和开发支出为2.2亿美元,仅页岩气一项每年的经济活动就为1000亿美元。

    

    52. 太空探索

    国家实验室发明了激光诱导击穿光谱学(LIBS),这是使“好奇号”探测车能够分析火星物质的主要设备。实验室研究人员还发现了制造航天器用高效太阳能电池的合适材料组合。

    

    53. 减少废气排放

    国家实验室的科学家们介绍了大约20种创新技术——如低氮氧化物(NOx)燃烧器、烟气脱硫(洗涤器)和流化床燃烧——通过洁净煤实现技术开发项目已深入市场,基本控制了有害发电厂的排放,并使能源生产和空气质量受益。

    

    54. 风力发电的大规模应用

    在过去的30年里,随着高效翼型风力涡轮机效率的提高,风力发电的成本降低了80%以上。现在,这些涡轮机已经部署在全国各地的风力发电场中,它们的存在要归功于国家实验室的研究。

    

    55. 设计智能窗户

    国家实验室的科学家们已经创造出了高度绝缘的窗户,可以改变颜色来调节室内温度和照明。如果广泛安装,它们可以节省全国总能源预算的5%。

    

    56. 部队后勤保障

    国家实验室的研究人员已经开发出计算机模型,可以有效地管理向遥远的目的地部署军队和装备的复杂后勤任务。

    

    57. 集成电路

    集成电路的成功归功于一项国家实验室的发现,该发现揭示了如何通过注入带电原子(称为离子)来改变一种材料。离子通道现在是工业和科学的标准做法。

    

    58. 又大又快的3D打印

    由国家实验室和商业公司联合开发的大型增材制造平台,打印出的3D组件比之前的流程大10倍,快200倍。到目前为止,该系统已经生产出了3d打印的跑车、SUV、房屋、挖掘机和航空零部件。

    

    59. 纯化疫苗

    国家实验室的研究人员采用核分离技术,开发了用于纯化疫苗的带状离心分离机,可减少或消除不必要的副作用。基于这项发明的商用离心机可以为数百万人生产疫苗。

    

    60. 节能建筑

    一个国家实验室建造了世界上最节能的办公楼之一。该设施作为实验室现场的活实验室运行,使用的能源比商业法规要求的低50%,并且只消耗由建筑物上或附近的可再生能源产生的能源。

    

    61. 航空安全

    恐怖分子的武器、炸药、塑料装置和其他隐蔽工具更容易被发现,这要归功于一个国家实验室开发的技术,该技术现已安装在世界各地的机场。

    

    62. 弹性电网

    一个国家实验室创造了一种先进的电池,它可以储存来自间歇性可再生能源的大量能量(比如风能和太阳能)向电网供电,同时也缓解了电网暂时中断的影响。有几家公司已经批准了这项技术,并将其作为商业产品提供。

    

    63. 解决柴油困境

    一项关于催化剂行为的国家实验室研究为一种新型“稀燃”柴油发动机铺平了道路,这种发动机符合排放标准,燃油效率比传统发动机提高了25%。

    

    64. 从空气中获取能量

    这是一种微型设备,在国家实验室取得重大突破后,由私营企业商业化生产。它可以通过微小的温度变化,在大坝、桥梁和管道等偏远地点为无线传感器或无线电频率发射机供电,从而产生足够的电力。

    

    65. 优化电网

    控制家用电器的能源使用——尤其是在高峰时段——可以降低能源需求,避免停电。一个国家实验室的家用电器控制装置感应到电网的压力,并立即作出反应,关闭机器,减少最终使用需求,使系统保持平衡,从而保持电力供应。

    

    66. 数字储存技术

    音乐、视频和数据存储背后的光学数字录音技术起源于国家实验室近40年前的研究。

    

    67. 核废料处理

    为了使冷战时期的核废料处理更加安全,国家实验室的科学家们开发并部署了一种工艺,将其锁在玻璃中,防止其渗入环境。

    

    68. 清理炭疽

    科学家们在国家实验室开发了一种无毒泡沫,可以中和化学和生物药剂。2001年,这种泡沫被用来清理国会办公大楼和邮件室,它们都暴露在炭疽热中。

    

    69. 从福岛海水中去除辐射

    2011年,在一场海啸破坏了福岛第一核电站(FukushimaDaiichi)之后,大量海水冷却了反应堆。一个由国家实验室科学家设计的分子筛被用来从数千万加仑的海水中提取放射性铯。

    

    70. 快速检测埃博拉病毒

    2014年,来自全国的研究人员在国家实验室模拟了利比里亚血液样本传输系统,并提出了快速诊断患者的建议。这减少了检测等待时间,大幅度减少了埃博拉病毒的传播。

    

    71. 为核武器设置安全锁

    1960年,国家实验室的科学家们为美国所有的核武器发明了编码的机电锁。该开关阻止解除保险信号,直到它收到正确的总统授权代码。

    

    72. 开启LED照明革命

    上世纪90年代,国家实验室的科学家们看到了节能固态照明的需求,并与业界合作开发了白色LED。今天,白色LED的效率大约是30%,最高可以达到70%到80%的效率。荧光灯的效率约为20%,而白炽灯的效率仅为5%。

    

    73.人工光合作用

    国家实验室的科学家们设计并合成了多层半导体结构的设备,这些设备可以直接将阳光转化为氢气中的化学能,并以更高的效率分解水(超过15%)。这种将太阳光直接转化为燃料的方法为太阳能在电网之外的应用铺平了道路。

    

    74. 先进融合技术

    从第一个融合试验反应堆短暂兆瓦的发电规模,和世界上最大的和最精力充沛的激光模拟大爆炸创造极端条件,内部的行星和恒星和热武器,国际实验从燃烧等离子体生成工业水平的聚变能,融合科学与应用程序推进,因为国家实验室。

    

    75. 分子电影

    国家实验室的科学家们已经用超快X-射线捕捉到了第一部分子电影的千万亿分之一秒的画面。这些电影详述了分子在进行化学反应时的复杂结构。

    

    美国能源部监管的17个国家实验室名单

    国家能源技术实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、太平洋西北国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室、埃姆斯国家实验室、布鲁克海文国家实验室、桑迪亚国家实验室、爱达荷国家实验室、普林斯顿等离子体物理实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、萨梵纳河国家实验室、SLAC国家加速器实验室、费米国家加速器实验室、国家可再生能源实验室、托马斯杰斐逊国家加速器实验室。

    17个国家实验室标志

    

    17个国家实验室地理位置分布

    

    来源:高分子科学前沿

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