李巨，何許人也？

科大少年班，MIT博士，MIT工學院核科學與工程系及材料科學與工程系雙聘教授，青年科學家，美國物理學會會士，美國材料研究學會會士，諸多榮譽加身。

MIT李巨

2月6日，科技日報報道了題為Atomic Design for a Carbon-Free Planet –“To Help Save Earth, Essentially”的科技新聞，講述了李巨的科研人生和科研信念，作者為MIT核科學與工程系的LEDA ZIMMERMAN。

李巨的科研人生

作為建造中國核電站的兩個工程師的孩子，李巨總對核能和其他先進能源技術抱有好感。但他熱愛計算機程式設計和理論物理，從不認為自己是一名工程師。正是在MIT導師、橫跨材料科學和核科學領域的名譽教授葉丘（Sidney Yip）的影響下，李巨首次看到了材料研究近乎無限的潛力。“這完全塑造了我作為一名科學家的形象，”他說，“我發現自己是多麼的無知，也發現了跨學科研究的無限可能。”

自1994年開始，當時李巨還只是MIT的一名研究生，李巨教授一直致力於研究如何在原子尺度上操縱和重組材料，從而產生驚奇有用的宏觀新特性。李巨的工作是模擬原子的位置。他說，“牛頓追蹤行星軌跡的方式”是一種深度探索:“這門科學很有趣，類比電子、原子和缺陷給我帶來了很多樂趣。”

但從2011年回到MIT任教開始，李巨開始質疑自己的目標。“隨著年齡的增長，僅僅做理論和談論科學是不夠的，”他說，“從上世紀90年代末我就知道氣候變化是個大問題，我逐漸意識到我能夠也應該做出一些貢獻。”

圖| MIT李巨從基礎水平操縱材料並揭示了能源應用的新特性。

科研信念和成就

李巨表示，他多年的微結構材料模擬研究為探索能源解決方案以幫助應對氣候變化提供了一個強大的平臺。他在自己的實驗室裡啟動了一個實驗專案，以更加專注於工程研究。

這項研究結果是：在核能、電池和能源轉換中不斷湧現的材料對地球脫碳有重大的短期和長期影響。他豐碩的研究成果體現在數百篇期刊文章中，僅2020年就有45篇，其中有兩篇分別發表在《科學》和《自然》上。這為李巨贏得了廣大同行的認可，當選為材料研究學會、美國物理學會會員。在去年11月，李巨當選為美國科學促進會會員。現在，李巨已經是巴特爾能源聯盟核科學與工程(NSE)教授、材料科學與工程教授。

李巨說，時間的壓迫感推動了這個生產力，也激發他發起了一場名為“從本質上拯救地球”運動，表明他的壯志雄心。

A+B的研究

為了組建自己的新興能源研究組合平臺，併為更大的研究團體建立一個模型，李巨採用了“A +B”兩部分方法：

“A代表行動，意味著迅速擴大成熟的技術，如核能和電池儲能。我們知道這些技術可以達到兆瓦級的規模，從而可以在本世紀中葉之前大幅減少CO2排放”；“B代表初級技術，比如先進的裂變和聚變反應堆，以及量子計算。我們今天必須培育的新技術才能在20到30年內準備就緒。”

李巨認為，地球正在著火，重要的是在這場大火中迅速排程擴充套件技術的全部力量。他說：“到2050年，人類撲滅了大火，減緩了CO2和溫度上升的速率，然後引領更清潔、更先進的能源系統規模化。”為此，李巨去年發起了應用能源研討會：MIT的A+B展示了對當前和未來能源影響最有希望的材料和技術。

A+B研究成果

李巨自己的A+B研究也獲得了很多成果，這得益於他在材料理論、建模和微觀結構科學方面深厚的專業知識。

1. 彈性應變工程

十多年來，他一直在研究彈性應變工程的創新應用。彈性應變工程是一種將巨大的拉伸和剪下機械應力施加在某些材料的原子晶格結構上，以產生新的光學、電學、熱學、催化和其他效能的技術。這種方法最早出現在20世紀90年代，當時研究人員將矽晶格拉伸到初始狀態的1%以上，從而使電子更快地穿過材料，為更好的鐳射器和電晶體奠定了基礎。

李巨團隊突破了以往的彈性應變極限，挖掘了更多的材料潛力。此外，他的團隊可以將矽的應變提高到10%以上，金剛石的應變提高到7%以上，為更快的半導體技術鋪平了道路。他們為氫燃料電池和將從太陽能，風能和核能產生的電能轉化為可儲存化學燃料的能量轉換過程開發了更好的催化劑。他的團隊還開發了應變工程超導體。他說:“這些應變金屬導體可以顯著改善超導磁體和高效的遠端電力傳輸。”

2. 奈米電路

在應變工程的另一項應用中，李巨及其同事能夠從工業金剛石材料中拉伸出微米級、形狀均勻的結構，從而開發了由微機電系統觸發的微型夾具。李巨稱這些結構為微橋。微橋具有獨特的電特性，可以大規模複製。“我們可以將數十億個這樣的微橋放置在晶圓上，每個微橋可以容納數千個電晶體，”李巨說，“我們希望它們對太陽能光伏發電的電力電子裝置有用。”

奈米電路方面的這個工作只是李巨在高階計算領域廣泛成果的一部分。此外，他的實驗室已經掌握了使用高度聚焦的電子束來高精度地操縱單個原子的技術。“我們可以像踢足球一樣運球和射擊原子，控制它的方向和能量，”李巨教授說。他希望這項研究能夠推進量子資訊處理、包括A+B技術在內的許多工程領域的發展。

3. 固態電池

除了這個先進的計算研究外，李巨正在關鍵能源應用方面奮進不息。藉助於原位透射電子顯微鏡、機器學習和電子結構建模，李巨正在開展一個專案：設計安全，強大的全固態電池。這個電池採用蜂窩狀奈米結構，以在與高腐蝕性鋰金屬接觸時保持穩定。

4. 核能

在核能領域，李巨正在開發堅固的碳奈米管和奈米線增強型金屬奈米複合材料，這種材料能夠承受高劑量輻射和高溫。3D列印的耐火合金、陶瓷-鋯晶體制成的材料可作為超級熱絕緣體，能夠承受1400℃的高溫。李巨還說，他正在精心研究處理放射性核燃料的方法，以去除放射性氣體和液體，以“完全關閉核燃料迴圈”。

為了完成這一大堆研究，李巨與NSE的Bilge Yildiz教授共同領導了MIT能量和極端環境低碳能源材料中心。

從理論到器件

在離開MIT的9年裡，李巨在其他大學“學習了一些訣竅”。現在他有了方法和新的決心，可以開始“為氣候變化問題提出越來越多的材料解決方案”。李巨說：“現在我喜歡做的事是從計算機模擬一直到實際器件的實現”

作為三個孩子的父親，李巨發現自己越來越被任務的緊迫性所困擾。他說：“我希望看到我的一些發現和發明被成倍地複製，真正被人們使用”，“我的夢想是讓我們看到無碳排放並改善的全球生活。”

原文連結：https://scitechdaily.com/atomic-design-for-a-carbon-free-planet-to-help-save-earth-essentially/