美國(guó)實(shí)驗(yàn)室：三大頂尖高校研發(fā)清潔能源材料

康寧、3M尋科研機(jī)構(gòu)聯(lián)袂

主要的高校研究所有15家，科研機(jī)構(gòu)則包括國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等5所;在公司方面的研究?jī)?yōu)勢(shì)則集中在康寧和3M就像再次展開“新材料藏寶圖”一樣，沿著全球?qū)嶒?yàn)室的據(jù)點(diǎn)慢慢摸索新材料的“足跡”，眼前的這幅“藏寶圖”布局越來越明晰了。新型無機(jī)非金屬是這周要展開探尋的“寶藏”，這種20世紀(jì)中期以后發(fā)展起來的物質(zhì)，具有特殊性能和用途的材料，已經(jīng)成為了現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國(guó)防和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。

據(jù)記者統(tǒng)計(jì)，無機(jī)非金屬材料在美國(guó)的研究據(jù)點(diǎn)主要有22個(gè)。其中，主要的高校研究所有15家，分別是麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)、康乃爾大學(xué)、西北大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、賓夕法尼亞大學(xué)、加州理工學(xué)院等，科研機(jī)構(gòu)則包括國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Argonne(阿貢)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、埃姆斯實(shí)驗(yàn)室等5所;在公司方面的研究?jī)?yōu)勢(shì)則集中在康寧和3M。

三大美國(guó)高校研究方向求同存異

據(jù)記者了解，主要涉足無機(jī)非金屬材料研究的高校研究領(lǐng)域雖各有側(cè)重，但頂尖高校的研究方向卻呈現(xiàn)很大相似性，如加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)、麻省理工大學(xué)、西北大學(xué)，其研究方向都在于清潔能源材料(燃料電池，鋰電池，超級(jí)電容器，熱電材料，太陽能電池)，其原料涉及新型無機(jī)非金屬當(dāng)中的先進(jìn)陶瓷。據(jù)了解，UCLA材料科學(xué)與工程學(xué)院教授約翰˙d˙麥肯齊，研究領(lǐng)域是玻璃科學(xué)、陶瓷、電氣性能,材料的非晶材料回收，他曾被選為美國(guó)國(guó)家工程院院士，還被美國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)授予了梅爾獎(jiǎng)和托萊多獎(jiǎng)。

在UCLA還設(shè)有專門的無機(jī)非金屬材料研究實(shí)驗(yàn)室，“分子工程能源材料能源前沿研究中心是一個(gè)總部在加州大學(xué)洛杉磯分校的跨學(xué)科研究中心，它的資金來源于美國(guó)能源部科學(xué)辦公室。”一位UCLA材料科學(xué)專業(yè)的校內(nèi)人士向記者表示。談及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)階段研究，他還告訴記者：“可再生能源技術(shù)的廣泛采用需要在效率和成本兩方面的顯著改善。米姆將進(jìn)行載波生成基本機(jī)制的系統(tǒng)研究、能量轉(zhuǎn)換以及運(yùn)輸，從分子和納米級(jí)設(shè)計(jì)復(fù)合材料，這些材料將被用來明顯改善有機(jī)太陽能電池和超級(jí)電容器的性能。目前還正在和加州大學(xué)伯克利分校，堪薩斯大學(xué)、華盛頓大學(xué)以及國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行項(xiàng)目合作。而最值得關(guān)注的項(xiàng)目則是“在能源管理中被廣泛運(yùn)用的電化學(xué)電容器，因?yàn)樗麄兛梢詭追昼娡耆錆M電而電池需要花費(fèi)幾個(gè)小才被充滿電，大力發(fā)展清潔能源能夠調(diào)整世界能源結(jié)構(gòu)，減少對(duì)化石能源資源的需求與消費(fèi)。”上述校內(nèi)人士告訴記者。

無獨(dú)有偶，西北大學(xué)和最早成立材料專業(yè)的麻省理工大學(xué)也在涉足清潔能源研究。其中，麻省理工大學(xué)涉及先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域研究的主要有4位教授，分別是亞明˙蔣、Cima˙邁克爾J、林恩-w-霍布斯和Tuller-哈利L。其中，亞明˙蔣教授的研究主要集中在設(shè)計(jì)、合成先進(jìn)無機(jī)材料及相關(guān)設(shè)備，其當(dāng)前主題包括新的陰極和陽極材料的鋰離子電池在電活性材料的相轉(zhuǎn)變。而西北大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立了西北阿爾貢科學(xué)與工程研究所，培養(yǎng)研究合作的能源、生物和環(huán)境系統(tǒng)和國(guó)家安全。新學(xué)院建立在當(dāng)前合作的領(lǐng)域——太陽能電池發(fā)展高性能計(jì)算?？v觀美國(guó)頂尖高校研究所，其“幕后推手”不得不提，很多科研資金都是來自于美國(guó)能源部科學(xué)辦公室，其實(shí)美國(guó)能源部才是實(shí)力最為頂尖的機(jī)構(gòu)。能源部是美聯(lián)邦政府在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面最主要的管理和資助機(jī)構(gòu)，下設(shè)24個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)中心，如世界一流的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“高端”“親民”齊頭并進(jìn)

鑒于無機(jī)非金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)和生活中的重要性，美國(guó)多個(gè)大型國(guó)家實(shí)驗(yàn)室紛紛重點(diǎn)或涉足該領(lǐng)域的研究工作。其中，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Argonne(阿貢)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、埃姆斯實(shí)驗(yàn)室是研究成果頗豐的5個(gè)代表。為加快科學(xué)突破需要，建立新的21世紀(jì)能源經(jīng)濟(jì)，美國(guó)能源部斥資3.77億美元在全國(guó)各大學(xué)、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、非盈利組織、私營(yíng)企業(yè)建立46個(gè)能源前沿研究中心(EFRCs)。EFRCs集合了一流科學(xué)家團(tuán)體，致力于解決下列領(lǐng)域的重大問題：太陽能、儲(chǔ)能、材料科學(xué)、生物燃料、先進(jìn)核能系統(tǒng)以及碳捕獲與封存等。美國(guó)以及8個(gè)國(guó)家超過110個(gè)機(jī)構(gòu)、近700名高級(jí)研究員，1100名博士后、研究生和本科生以及技術(shù)人員將參與到EFRC的研究工作中。

46個(gè)研究中心均為美國(guó)一流大學(xué)承擔(dān)研發(fā)。其中涉及無機(jī)非金屬材料的項(xiàng)目，包括由亞利桑那大學(xué)承擔(dān)的項(xiàng)目，研發(fā)重點(diǎn)為“利用無機(jī)—有機(jī)復(fù)合材料來提高太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率”，此外，麻省理工學(xué)院、馬薩諸塞大學(xué)、西北大學(xué)、南加州大學(xué)的研發(fā)項(xiàng)目都與該領(lǐng)域密切相關(guān)。在美國(guó)能源部所屬部門中，常規(guī)負(fù)責(zé)新材料研究的是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)，是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，總部設(shè)在密蘇里州堪薩斯市。NREL主要涉及太陽光轉(zhuǎn)換為電、風(fēng)能發(fā)電、生物質(zhì)燃料及生物質(zhì)高價(jià)值工業(yè)產(chǎn)品制造、利用可再生原料制作及儲(chǔ)存氫燃料的研究、開發(fā)和應(yīng)用工作。與NREL及能源前沿研究中心的高端運(yùn)作相比，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域的研究顯得更加“親民”，更加貼近生產(chǎn)和生活。[!--empirenews.page--]

橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，簡(jiǎn)稱ORNL)是美國(guó)能源部所屬最大的科學(xué)和能源研究實(shí)驗(yàn)室，許多科學(xué)領(lǐng)域在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，成立于1943年，原稱克林頓實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)有雇員3800多人和客座研究人員大約3000人，年度經(jīng)費(fèi)超過10億美元。ORNL主要從事6個(gè)方面的研究，包括中子科學(xué)、能源、高性能計(jì)算、復(fù)雜生物系統(tǒng)、先進(jìn)材料和國(guó)家安全。其中涉及無機(jī)非金屬材料的領(lǐng)域是：高溫材料實(shí)驗(yàn)室、建筑技術(shù)中心以及材料科學(xué)與工程部陶瓷科學(xué)與技術(shù)組，旨在開發(fā)新型材料、新型材料加工能力、新連接技術(shù)和新能源效益的產(chǎn)品。據(jù)悉，10年來，通過工業(yè)需要和科研相結(jié)合，該項(xiàng)目降低能源強(qiáng)度(也稱為單位產(chǎn)值能耗)25%和減少了工業(yè)碳足跡。從上游材料的研發(fā)到下游產(chǎn)品的生產(chǎn)上，三個(gè)研究中心又各司其職。其中，高溫材料實(shí)驗(yàn)室為各種各樣的樣品如涂層、薄膜、復(fù)合材料等提供高溫?zé)醾鬟f和熱分析設(shè)備;建筑技術(shù)中心主要職責(zé)是為建筑業(yè)提供建筑外殼、加熱和冷卻以及設(shè)備的測(cè)試和分析訣竅;材料科學(xué)與工程部陶瓷科學(xué)與技術(shù)組則主要致力于先進(jìn)陶瓷、陶瓷及金屬基復(fù)合材料高溫疲勞和蠕變行為的研究。

頂尖公司覓科研機(jī)構(gòu)跨國(guó)合作 研究的價(jià)值正是在于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

目前，美國(guó)無機(jī)非金屬材料研發(fā)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，像美國(guó)康寧、3M等全球行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)已在國(guó)際布局研發(fā)網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)康寧是特殊玻璃和陶瓷材料的全球領(lǐng)導(dǎo)制造商，1851年成立于美國(guó)紐約州的康寧市?？祵幑臼鞘澜缟鲜准覍?shí)現(xiàn)0.4毫米玻璃商業(yè)化量產(chǎn)的生產(chǎn)者，也最先發(fā)明并制造出玻璃燈泡，使愛迪生的發(fā)明成為現(xiàn)實(shí)。康寧的主要研發(fā)及生產(chǎn)領(lǐng)域集中在特殊玻璃、陶瓷材料、聚合物和應(yīng)用光學(xué)等方面的專業(yè)技術(shù)。憑借著160年在材料科學(xué)和制程工藝領(lǐng)域的知識(shí)，康寧公司成為電信、顯示科技、環(huán)境科技及生命科學(xué)領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，曾六次榮獲美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)技術(shù)成就獎(jiǎng)。隨著液晶顯示器的普及，其核心部件玻璃基板的技術(shù)研發(fā)也備受企業(yè)關(guān)注。目前，全球TFT-LCD的玻璃基板供應(yīng)中有99%以上的份額集中在美國(guó)康寧、日本旭硝子等幾大廠商手中。此外，在大尺寸上影液晶屏幕玻璃基板市場(chǎng)，美國(guó)康寧占據(jù)51%的市場(chǎng)，以溢流熔融法制程生產(chǎn)為主?？祵幑疽恢狈e極參與中國(guó)的發(fā)展，并與中國(guó)的一流科研機(jī)構(gòu)積極合作。2011年6月，位于上海嘉定的“中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所-康寧聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”正式成立，這是康寧公司在中國(guó)大陸設(shè)立的首個(gè)聯(lián)合研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的首個(gè)項(xiàng)目是熱電轉(zhuǎn)換材料研究，開發(fā)新的高性能熱電材料可以幫助車輛余熱高效利用與電氣化，實(shí)現(xiàn)更好的汽車燃油效率，降低尾氣排放。除了特種玻璃、先進(jìn)陶瓷外，新型建筑材料也是重要的無機(jī)非金屬材料。美國(guó)3M公司便是這一領(lǐng)域中研發(fā)實(shí)力雄厚的代表。

美國(guó)3M是世界著名的多元化跨國(guó)企業(yè)，且是道瓊斯30種工業(yè)成分指數(shù)股票之一。3M全稱明尼蘇達(dá)礦務(wù)及制造業(yè)公司，成立于1902年，總部位于美國(guó)明州首府圣保羅市。是世界著名的多元化科技的創(chuàng)新型跨國(guó)企業(yè)。3M是國(guó)際公認(rèn)的研發(fā)領(lǐng)域的企業(yè)先驅(qū)。百年來，3M的產(chǎn)品已深入人們的生活，從家庭用品到醫(yī)療用品，從運(yùn)輸、建筑到商業(yè)、教育和電子、通信等各個(gè)領(lǐng)域，極大地改變了人們的生活和工作方式。現(xiàn)代社會(huì)中，世界上有50%的人每天直接或間接地接觸到3M公司的產(chǎn)品。3M公司在全球超過65個(gè)國(guó)家和地區(qū)設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品在200多個(gè)國(guó)家和地區(qū)銷售。在城市建設(shè)中，如何降低建筑能耗又充分利用資源，成為政府和每一個(gè)家庭共同關(guān)心的話題。

在新型建筑材料領(lǐng)域，3M不斷研發(fā)新型節(jié)能環(huán)保材料。例如，其研發(fā)的極景多層光學(xué)微附建筑隔熱防爆膜，使普通玻璃具有了卓越的隔熱效果能阻隔高達(dá)97%的紅外線，并會(huì)隨太陽正射角度變化而提高7%-9%的隔熱效能。3M還積極與科研機(jī)構(gòu)合作。2010年3月，3M公司與國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)簽署一系列合作研究和開發(fā)協(xié)議。協(xié)議涉及三大創(chuàng)新領(lǐng)域：薄膜光伏、聚光太陽能發(fā)電和生物燃料，并共同開發(fā)具備成本競(jìng)爭(zhēng)力且可大規(guī)模生產(chǎn)的新型可再生電力和燃料能源的關(guān)鍵技術(shù)，以滿足市場(chǎng)對(duì)清潔能源的需求。