На протяжении большей части своей карьеры Цзюй Ли процветал на теоретических аспектах своей работы, в которой исследовалось, как манипулирование материалами и их реструктуризация в атомном масштабе может дать удивительные и полезные новые свойства на макроуровне. Это исследование, которое он начал в 1994 году, будучи аспирантом Массачусетского технологического института, проводилось на «границе между известным и неизвестным», — говорит Ли, доктор философии, профессор ядерных наук и инженерии Battelle Energy Alliance (NSE) и профессор Материаловедение и инженерии. «При проведении исследований была какая-то неуверенность, что было для меня очень привлекательно, почти вызывало привыкание».

Работа Ли по моделированию положения атомов «так, как Ньютон отслеживал траектории планет», — говорит он, — была формой глубокой игры: «Наука была увлекательной, и мне было очень весело, моделируя электроны, атомы и дефекты», говорит Ли. Но начиная с 2011 года, после того как он вернулся в Массачусетский технологический институт в качестве преподавателя, Ли начал сомневаться в своих целях. «По мере взросления недостаточно просто заниматься теорией и говорить о науке», — говорит он. «Я знал с конца 1990-х годов, что изменение климата — это проблема, и понял, что могу и должен многое сделать лично, чтобы внести свой вклад».

Ли признал, что его годы моделирования микроструктуры материалов обеспечили надежную платформу для изучения энергетических решений, которые помогут справиться с изменением климата. Он запустил экспериментальную программу в своей лаборатории и по его словам — «я стал больше ориентироваться на инженерное дело».

Результат: поток достижений в области материалов, применяемых в ядерной энергии, батареях и преобразовании энергии, со значительными краткосрочными и долгосрочными последствиями для декарбонизации планеты. Широта его работы, отраженная в сотнях журнальных статей — 45 в одном только 2020 году — принесла Ли признание, включая избрание в Общество исследования материалов, Американского сообщества физиков, а только в ноябре прошлого года избрание в члены Американской ассоциации для развития науки. Но то, что движет всей этой продуктивностью, — «ощущение нехватки времени», — говорит Ли, который начал амбициозную кампанию, «по существу, чтобы помочь спасти Землю».

Исследование A + B

В качестве способа организации своего растущего портфеля исследований в области энергетики и создания модели для более широкого исследовательского сообщества Ли принял двухчастный подход «А + В»:

«А» означает действие, что означает быстрое расширение масштабов проверенных технологий, таких как ядерная энергия и аккумуляторы энергии, которые, как мы знаем, могут работать в тераваттном масштабе, необходимом для значительного сокращения выбросов CO2 до середины века», — говорит Ли. «B — это детские технологии, такие как усовершенствованные реакторы деления и синтеза, а также квантовые вычисления, новые технологии, которые мы должны развивать сегодня, чтобы они были готовы через 20–30 лет».

Ли считает, что Земля горит, и важно направить всю мощь масштабируемых технологий на пожар прямо сейчас. «Вы тушите пожар к 2050 году, замедляете наклон выбросов CO2 и повышения температуры, а затем вводите более чистые и современные энергетические системы в масштабе», — говорит он. Чтобы подчеркнуть свою приверженность этому подходу, Ли в прошлом году организовал симпозиум по прикладной энергии: MIT A + B, демонстрирующий наиболее перспективные материалы и технологии для немедленного и будущего воздействия на энергию.

Собственное исследование Ли A + B основано на его глубоких знаниях в области теории материалов, моделирования и микроструктуры. Более десяти лет он исследовал инновационные приложения для инженерии упругой деформации, метода, который создает огромные растягивающие и сдвиговые механические напряжения в решетчатой ​​атомной структуре определенных материалов с целью создания новых оптических, электрических, тепловых, каталитических и другие свойства. Этот подход впервые появился в 1990-х годах, когда исследователи деформировали кристаллическую решетку кремния на 1 процент сверх ее исходного состояния, что позволило электронам быстрее перемещаться через материал и подготовило почву для создания более совершенных лазеров и транзисторов.

Группа Ли преодолела предыдущие пределы упругой деформации, раскрывая больший потенциал материалов. Среди других достижений его команда смогла деформировать кремний более 10 процентов и алмаз более 7 процентов, открыв путь для более быстрых полупроводников. Они разработали более совершенные катализаторы для водородных топливных элементов и для преобразования энергии, необходимой для превращения электричества из солнечной, ветровой и ядерной энергии в химическое топливо, которое можно хранить. Команда Ли также продемонстрировала сверхпроводники с механической деформацией. «Эти напряженные металлические проводники могут значительно улучшить сверхпроводящие магниты, а также эффективную передачу энергии на большие расстояния», — говорит он.

Наносхемотехника и не только

В другом применении инженерии деформации Ли и его сотрудники смогли растянуть структуры микронного размера однородной формы из промышленного алмазного материала, используя микропроцессорные захваты, запускаемые микроэлектромеханическими системами. Эти структуры, которые Ли называет микромостами, обладают уникальными электрическими свойствами и могут быть массово воспроизведены. «Мы можем поместить миллионы этих микромостов на пластины, и каждый из этих мостов может вместить тысячи транзисторов», — говорит Ли. «Мы надеемся, что они могут оказаться полезными в силовой электронике для солнечной фотоэлектрической энергии».

Эта работа в области нанотехники является частью более широких усилий Ли в области передовых вычислений, которые включают в себя ряд инженерных методов. Например, его лаборатория научилась с большой точностью манипулировать отдельными атомами, используя сильно сфокусированные электронные лучи. «Мы можем вести и стрелять в атом, как футбольный мяч, контролируя его направление и энергию», — говорит Ли. Он надеется, что это исследование продвинет квантовую обработку информации, расширив многие области инженерии, включая технологии A + B.

Параллельно с этой передовой вычислительной работой Ли продвигается вперед с критически важными энергетическими приложениями, чему способствует трансмиссионная электронная микроскопия на месте, машинное обучение и моделирование электронной структуры. Один текущий проект: разработка безопасных и мощных полностью твердотельных батарей с использованием сотовых структур. -образные наноструктуры, устойчивые при контакте с сильно коррозионным металлическим литием.

В области ядерной энергетики Li разрабатывает прочные металлические нанокомпозитные материалы, усиленные углеродными нанотрубками и нанопроволокой, которые могут выдерживать высокие дозы излучения и высокие температуры; 3D-печать тугоплавких сплавов; и материалы, изготовленные из кристаллов циркония и керамики, которые могут служить тепловым суперизолятором, выдерживая нагрев до 1400 градусов по Цельсию. Он также разрабатывает процессы удаления радиоактивных газов и жидкостей при переработке отработавшего ядерного топлива, пытаясь «полностью замкнуть ядерный топливный цикл», — говорит Ли.

В довершение всего этого потока исследований Ли вместе с профессором NSE Бильге Йылдыз руководит Центром низкоуглеродной энергии MIT Energy Initiative для материалов в энергетике и экстремальных условиях.

От теории к устройству

Будучи ребенком двух инженеров, строивших атомные электростанции в Китае, Ли всегда чувствовал себя комфортно с ядерной энергией и другими сложными энергетическими технологиями. Но он любил компьютерное программирование и теоретическую физику и никогда не считал себя инженером.

Именно через своего наставника из Массачусетского технологического института, почетного профессора Сиднея Йипа, который занимался вопросами материаловедения и ядерной науки, Ли впервые увидел почти неограниченный потенциал работы с материалами. «Это полностью сформировало меня как ученого», — говорит он. «Я понял, насколько я невежественен, и насколько могут быть междисциплинарные исследования».

Спустя девять лет после того, как Массачусетский технологический институт «изучал основы» в других университетах, Ли имел в руках инструменты и новую решимость, чтобы начать «придумывать все более и более актуальные материальные решения проблем изменения климата», — говорит он. «Теперь я люблю переходить от компьютерного моделирования к реальным устройствам».

Имея троих детей, Ли становится все более озабоченным срочностью своей миссии. «Я хотел бы, чтобы некоторые из моих открытий и изобретений экспоненциально копировались, действительно использовались людьми», — говорит он. «Моя мечта — избавить нас от выбросов углерода и улучшить жизнь во всем мире».