发布时间：2024-08-27 15:50:24 栏目：精选百科
先进材料是能源、国防、航空航天技术等对国家安全至关重要的领域的重要创新点。莱斯大学材料科学家鲍里斯·雅科布森多年来获得了两个联邦机构颁发的三项奖项，总额达 4,140,611 美元，用于研究先进材料的生产、性能和动态方面的挑战性方面。
这些奖项代表了莱斯大学作为全国性材料科学研究机构的地位。雅科布森表示，他希望这些项目在前人研究的基础上，“能够带来真正改变我们理解、制造和使用先进材料方式的发现”。
一个名为“绘制二维材料合成路线”的项目旨在揭示分子机制，以便在工业规模和质量上生产用于微和未来电子产品的二维材料。
二维材料最初是通过剥离或从三维晶体或块体晶体中“剥离”原子薄层而产生的，但这种生产方法不适用于大规模生产。基于化学合成的生产方法依赖于对导致晶体层生长的化学反应的精确理解和控制。通常，生产方法需要将材料从固体转化为蒸汽，然后再转化为固体形式。
“固-气-固反应种类繁多，但对其了解甚少，几个关键实例的科学突破必将为气相反应动力学、非平衡表面物理学和新兴晶体结构交叉领域的新科学铺平道路，”雅科布森表示，他计划使用计算方法探索初始量子级分子动力学，以确定从原始前体到中间物种的关键转变，并最终构建组装成目标晶体层的单元。
“我们试图回答这样的问题：我们能否在不影响产品质量的情况下通过添加额外成分来加速晶体生长，或者我们如何在生成的材料中创建所需的缺陷类型，然后将其用作电流载体、催化中心或量子计算机中量子比特的单光子发射器，”雅科布森说。
Yakobson 研究小组在之前对石墨烯、二硫化钼和六方氮化硼等几种标志性二维材料的研究基础上， 旨在建立一种通用方法来开发钙钛矿、氮化物、氧化物和其他在能源和电子应用领域备受青睐的材料的预测合成模型。
“我们还旨在自动搜索反应路径，以便我们能够合成新的、以前未知的材料或简化硼烯等材料的生产，这些材料现在需要昂贵或深奥的技术，”雅科布森说，他提出的二维材料研究将在未来几年内获得美国 2,107,997 美元的资助。
雅各布森集团还获得美国国防部在未来四年内拨款 2,032,614 美元用于两个项目——一个研究复合材料的界面，另一个研究极端非平衡状态下含能材料的行为。雅各布森表示：
“其中一个项目研究界面(混合固体中微观成分之间的边界)如何响应极端载荷的原子或分子级细节。”
界面影响复合材料的整体性能，而机械强度、韧性、电阻率、热稳定性和腐蚀稳定性等特性对于民用和国防基础设施以及从桥梁和铁路到潜艇和超音速航空航天器等应用都至关重要。
雅各布森表示：“我们计划使用最先进的量子化学计算来研究异质界面，以确定高性能复合材料在极端条件下的行为以及我们如何改进其设计。”
国防部资助的第二个项目将集中于开发量化远离化学平衡状态的复杂系统中发生的化学反应和其他过程的速率的方法。
“远离热力学平衡的系统将在能量密度、化学成分等方面表现出显著的空间变化或梯度，这使得确定过程的速度变得困难，”雅科布森说。“了解这一点非常重要，尤其是对于高能材料而言，高能材料是一类储存大量化学能的材料。”
高能材料的例子包括炸药、燃料和推进剂。雅科布森借鉴固态化学的见解，寻求“弥补”对应力介导反应和非平衡系统的空间异质性如何在气相和液相过程中发挥作用的相对缺乏的知识。
“利用现代计算技术对这个项目非常有价值，”雅科布森说。“我们希望从以温度梯度为基础的近平衡科学发展到现代量子化声子、振动子、激子动力学……以及它们的耦合，作为描述远离平衡的能量博弈的新工具集。”
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