Laboratorio nacional del DOE de los Estados Unidos en Ames, Iowa
El Laboratorio Nacional Ames , anteriormente Laboratorio Ames , es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos ubicado en Ames, Iowa , y afiliado a la Universidad Estatal de Iowa . Es un laboratorio nacional de primer nivel para investigaciones sobre seguridad nacional, energía y medio ambiente. El laboratorio lleva a cabo investigaciones en áreas de interés nacional, incluida la síntesis y el estudio de nuevos materiales , recursos energéticos, diseño de computadoras de alta velocidad y limpieza y restauración ambiental . Está ubicado en el campus de la Universidad Estatal de Iowa.
En enero de 2013, el Departamento de Energía anunció el establecimiento del Instituto de Materiales Críticos (CMI) en el Laboratorio Ames, con la misión de desarrollar soluciones a la escasez interna de metales de tierras raras y otros materiales críticos para la seguridad energética de Estados Unidos .
Historia
década de 1940
En 1942, Frank Spedding del Iowa State College , un experto en la química de elementos de tierras raras , acordó establecer y dirigir un programa de investigación y desarrollo químico, desde entonces llamado Proyecto Ames , para acompañar el programa de física existente del Proyecto Manhattan. . Su finalidad era producir uranio de alta pureza a partir de minerales de uranio . Harley Wilhelm desarrolló nuevos métodos tanto para reducir como para fundir uranio metálico, lo que hizo posible fundir grandes lingotes de metal y reducir los costos de producción hasta veinte veces. Aproximadamente un tercio, o alrededor de dos toneladas, del uranio utilizado en la primera reacción nuclear autosostenida en la Universidad de Chicago se obtuvo mediante estos procedimientos, ahora conocidos como Proceso Ames . El Proyecto Ames produjo más de dos millones de libras (1.000 toneladas cortas; 910.000 kg) de uranio para el Proyecto Manhattan hasta que la industria se hizo cargo del proceso en 1945.
El Proyecto Ames recibió el Premio 'E' del Ejército y la Armada a la Excelencia en Producción el 12 de octubre de 1945, lo que significa dos años y medio de excelencia en la producción industrial de uranio metálico como material de guerra vital. La Universidad Estatal de Iowa es la única entre las instituciones educativas que ha recibido este premio por su servicio sobresaliente, un honor que normalmente se otorga a la industria. Otros logros clave relacionados con el proyecto incluyeron:
- Desarrollo de un proceso para recuperar uranio a partir de materiales de desecho y convertirlo en buenos lingotes.
- Desarrollo de un proceso de intercambio iónico para separar elementos de tierras raras entre sí en cantidades de gramos, algo que no es posible con otros métodos.
- Desarrollo de un proceso de producción a gran escala de torio mediante un método de reducción de bombas.
El Laboratorio Ames fue establecido formalmente en 1947 por la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos como resultado del éxito del Proyecto Ames.
década de 1950
Durante la década de 1950, la creciente reputación del laboratorio por su trabajo con metales de tierras raras aumentó rápidamente su carga de trabajo. Mientras el país exploraba los usos de la energía nuclear , los científicos de laboratorio estudiaban los combustibles nucleares y los materiales estructurales para los reactores nucleares . Los procesos desarrollados en el Laboratorio Ames dieron como resultado la producción de los metales de tierras raras más puros del mundo y, al mismo tiempo, redujeron considerablemente su precio. En la mayoría de los casos, las instalaciones del laboratorio sirvieron de modelo para la producción a gran escala de metales de tierras raras. Los científicos del laboratorio aprovecharon el sincrotrón de la Universidad Estatal de Iowa para realizar investigaciones en física de energía media. Los esfuerzos de la química analítica se ampliaron para mantenerse al día con la necesidad de analizar nuevos materiales.
Otros logros clave de la década de 1950 incluyeron:
década de 1960
Durante la década de 1960, el laboratorio alcanzó su punto máximo de empleo a medida que sus científicos continuaban explorando nuevos materiales. Como parte de ese esfuerzo, el laboratorio construyó un reactor de agua pesada de 5 megavatios para estudios de difracción de neutrones e investigaciones adicionales sobre separación de isótopos . La Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos estableció el Centro de Información sobre Tierras Raras en el Laboratorio Ames para proporcionar a las comunidades científicas y técnicas información sobre los metales de tierras raras y sus compuestos.
Otros logros clave de la década de 1960 incluyeron:
- Desarrollo de un proceso para producir torio metálico con una pureza del 99,985 por ciento.
- Desarrollo de un proceso para producir vanadio metálico de alta pureza para aplicaciones nucleares .
- Descubrimiento de un nuevo isótopo , el cobre -69.
- Realizó la primera operación exitosa de un separador de isótopos conectado a un reactor para estudiar la radiactividad de vida corta producida por la fisión del uranio -235.
- Crecimiento del primer gran cristal de helio sólido
década de 1970
Durante la década de 1970, a medida que la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos evolucionó hasta convertirse en el Departamento de Energía de los Estados Unidos , los esfuerzos se diversificaron a medida que se cerraron algunos programas de investigación y se abrieron otros nuevos. Los funcionarios federales consolidaron las instalaciones del reactor, lo que llevó al cierre del reactor de investigación. El Laboratorio Ames respondió poniendo nuevo énfasis en las matemáticas aplicadas , la energía solar , los combustibles fósiles y el control de la contaminación. Se desarrollaron técnicas analíticas innovadoras para proporcionar información precisa a partir de muestras cada vez más pequeñas. El más importante de ellos fue la espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente , que podía detectar rápida y simultáneamente hasta 40 trazas de metales diferentes a partir de una pequeña muestra.
Otros logros clave de la década de 1970 incluyeron:
- Desarrollo de una técnica altamente sensible para el análisis directo de mercurio en aire, agua, peces y suelos.
- Desarrollo de un método para aislar cantidades diminutas de compuestos orgánicos que se encuentran en el agua.
- Desarrollo de un proceso para eliminar cobre, estaño y cromo de la chatarra de automóviles, produciendo acero recuperado lo suficientemente puro para su reutilización directa.
- Desarrollo de una pantalla intensificadora de imágenes que redujo significativamente la exposición a los rayos X médicos .
- Desarrollo de un módulo de calefacción solar que pueda almacenar y transmitir energía solar .
década de 1980
En la década de 1980, la investigación en el Laboratorio Ames evolucionó para satisfacer las necesidades energéticas locales y nacionales. La investigación sobre energías fósiles se centró en formas de quemar carbón de forma más limpia. Se desarrollaron nuevas tecnologías para limpiar los sitios de desechos nucleares . La investigación en informática de alto rendimiento aumentó los programas de matemáticas aplicadas y física del estado sólido . El Laboratorio Ames se convirtió en líder nacional en los campos de la superconductividad y la evaluación no destructiva . Además, el DOE estableció el Centro de preparación de materiales [1] para brindar acceso público al desarrollo de nuevos materiales.
Otros logros clave de la década de 1980 incluyeron:
década de 1990
Animado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos , en la década de 1990 el Laboratorio Ames continuó sus esfuerzos por transferir los resultados de la investigación básica a la industria para el desarrollo de nuevos materiales, productos y procesos. El Laboratorio de Computación Escalable [2] se creó para encontrar formas de hacer que la computación paralela sea accesible y rentable para la comunidad científica. Los investigadores descubrieron el primer ejemplo de buckybolas sin carbono , un nuevo material importante en el campo de la microelectrónica . Los científicos desarrollaron un secuenciador de ADN que era 24 veces más rápido que otros dispositivos y una técnica que evaluaba la naturaleza del daño al ADN causado por contaminantes químicos.
Otros logros clave de la década de 1990 incluyeron:
- Desarrollo de la técnica de evaluación comparativa HINT que comparó objetivamente computadoras de todos los tamaños, ahora respaldada por el sitio HINT de la Universidad Brigham Young . [3]
- Mejora de un método de atomización de gas a alta presión para convertir metal fundido en polvos metálicos de grano fino.
- Predicción de la geometría de una estructura cerámica con banda prohibida fotónica . Estas estructuras pueden mejorar la eficiencia de los láseres , dispositivos sensores y antenas .
- Descubrimiento de una nueva clase de materiales que podrían hacer de la refrigeración magnética una tecnología de refrigeración viable para el futuro.
- Desarrollo de una soldadura sin plomo de alta resistencia que es más resistente, más fácil de usar, resiste mejor en condiciones de altas temperaturas y es segura para el medio ambiente.
- Desarrollo de nuevos recubrimientos de aluminuro de níquel modificados con platino que proporcionaron una estabilidad de fase y oxidación sin precedentes como capas de unión en recubrimientos de barrera térmica , lo que podría mejorar la durabilidad de los motores de turbina de gas, permitiéndoles operar a temperaturas más altas y extender su vida útil.
- Descubrimiento de compuestos intermetálicos que son dúctiles a temperatura ambiente y que podrían usarse para producir materiales prácticos, desde recubrimientos altamente resistentes a la corrosión y resistentes a altas temperaturas hasta cables superconductores flexibles e imanes potentes.
- La investigación sobre la fotofísica de películas delgadas orgánicas luminiscentes y diodos emisores de luz orgánicos dio como resultado un novedoso sensor de oxígeno integrado y una nueva empresa de sensores.
- Desarrollo de una tecnología de biosensores que ayuda a determinar el riesgo de que un individuo contraiga cáncer debido a contaminantes químicos.
- Desarrollo de una unidad de electroforesis capilar que pueda analizar múltiples muestras químicas simultáneamente. Esta unidad tiene aplicaciones en los campos farmacéutico, genético, médico y forense.
- El diseño y demostración de cristales fotónicos de banda prohibida, una disposición geométrica de materiales dieléctricos que permiten el paso de la luz excepto cuando la frecuencia cae dentro de un rango prohibido. Estos materiales facilitarían el desarrollo de numerosos dispositivos prácticos, incluidos láseres ópticos, computadoras ópticas y células solares.
2000
- Desarrollo de un proceso mecanoquímico que es una forma libre de solventes de producir compuestos orgánicos en estado sólido. Se está utilizando para estudiar materiales de hidruros nuevos y complejos que podrían proporcionar una solución para el almacenamiento seguro y de alta capacidad de hidrógeno necesario para hacer viables los vehículos propulsados por hidrógeno.
- Desarrollo de tecnología avanzada de motores de accionamiento eléctrico mediante el diseño de una aleación de imán permanente de alto rendimiento que funciona con buena fuerza magnética a 200 grados Celsius o 392 grados Fahrenheit, para ayudar a que los motores de accionamiento eléctrico sean más eficientes y rentables.
- Imitando bacterias para sintetizar nanopartículas magnéticas que podrían usarse para la selección y administración de medicamentos, en tintas magnéticas y dispositivos de memoria de alta densidad, o como sellos magnéticos en motores.
- Combinando gasificación con catalizadores porosos a nanoescala de alta tecnología, esperan crear etanol a partir de una amplia gama de biomasa, incluido el grano de destilería sobrante de la producción de etanol, rastrojos de maíz del campo, pasto, pulpa de madera, desechos animales y basura.
- Descubrimiento de una aleación cerámica de boro, aluminio y magnesio que presenta una dureza excepcional. Agregar una capa de BAM a las palas podría reducir la fricción y aumentar la resistencia al desgaste, lo que podría tener un efecto significativo a la hora de aumentar la eficiencia de las bombas, que se utilizan en todo tipo de aplicaciones industriales y comerciales.
- Los materiales producidos por el Centro de Preparación de Materiales (MPC) del Laboratorio Ames fueron lanzados al espacio exterior como parte de la Misión Planck de la Agencia Espacial Europea . La aleación de lantano, níquel y estaño producida por MPC se utilizó en los sistemas de refrigeración criogénica de Planck para enfriar los instrumentos durante la misión espacial.
- Desarrollo de osgBullet, un paquete de software que crea simulaciones por computadora en 3D en tiempo real que pueden ayudar a los ingenieros a diseñar sistemas complejos que van desde plantas de energía de próxima generación hasta automóviles altamente eficientes. El software osgBullet ganó el premio R&D 100 de 2010.
- Se pueden observar investigaciones que confirman la refracción negativa en cristales fotónicos en la región de microondas del espectro electromagnético, lo que acerca a los físicos un paso más a la construcción de materiales que exhiben refracción negativa en longitudes de onda ópticas y a la realización de las tan buscadas superlentes .
2011 y más allá
- Desarrollo de una nueva aleación que logró una mejora del 25 por ciento en la capacidad de un material clave para convertir el calor en energía eléctrica, lo que algún día podría mejorar la eficiencia en automóviles, vehículos militares e instalaciones de generación de energía a gran escala.
- Se firmó un memorando de entendimiento con el Instituto Coreano de Tecnología Industrial para promover la colaboración internacional en la investigación de tierras raras.
- Dan Shechtman , asociado del Laboratorio Nacional Ames, recibió el Premio Nobel de Química 2011 por el descubrimiento de cuasicristales en la Universidad Johns Hopkins . [4] [5]
- Se utilizó la tecnología de atomización de gas para producir polvo de titanio con procesos diez veces más eficientes que los métodos tradicionales de fabricación de polvo, lo que reduce significativamente el costo del polvo de titanio para los fabricantes. La tecnología condujo a la formación de una empresa que ganó el America's Next Top Energy Innovators Challenge de la administración Obama. La empresa basada en esta tecnología, Iowa Powder Atomization Technology, también ganó el concurso John Pappajohn Iowa Business Plan de 2012.
- Los métodos pioneros de espectrometría de masas desarrollados en el Laboratorio Ames están ayudando a los biólogos vegetales a vislumbrar por primera vez estructuras de tejidos vegetales nunca antes vistas, un avance que abre nuevos ámbitos de estudio que pueden tener implicaciones de largo alcance para la investigación de biocombustibles y la genética de cultivos.
- Los científicos están desentrañando los misterios de los superconductores exóticos, materiales que cuando se enfrían tienen resistencia eléctrica cero, lo que algún día podría ayudar a aumentar la eficiencia de la distribución de energía.
- Descubrimiento del orden subyacente en los vidrios metálicos, que puede ser la clave para crear nuevas aleaciones de alta tecnología con propiedades específicas.
- Descubrimiento de nuevas formas de utilizar un polímero conocido en diodos emisores de luz orgánicos ( OLED ), que podrían eliminar la necesidad de un óxido metálico cada vez más problemático y frágil utilizado en pantallas de ordenadores, televisores y teléfonos móviles.
- Investigando formas de perfeccionar un cable de alimentación de próxima generación hecho de un compuesto de aluminio y calcio. Los cables de este compuesto serían más livianos y resistentes, y su conductividad sería al menos un 10 por ciento mejor que los materiales existentes para energía CC, un segmento creciente de la transmisión de energía global.
- El DOE otorgó 120 millones de dólares al Laboratorio Ames en 2013 para iniciar un nuevo Centro de Innovación Energética, el Instituto de Materiales Críticos, que se centrará en encontrar y comercializar formas de reducir la dependencia de los materiales críticos esenciales para la competitividad estadounidense en las tecnologías de energía limpia.
- Adquisición de tecnología de impresión 3D, que acelerará la búsqueda de alternativas a las tierras raras y otros metales críticos, además de ayudar a desarrollar procesos que crearán materiales y estructuras únicos durante el proceso de impresión.
- En 2014 se inició la construcción de una nueva instalación de instrumentos sensibles (SIF) de última generación. El SIF será el nuevo hogar del microscopio electrónico de transmisión de barrido existente en el laboratorio y de algunos equipos nuevos altamente sensibles, proporcionando un entorno aislado de vibraciones, interferencias electromagnéticas y de otro tipo que pueden oscurecer los detalles a escala atómica de una vista clara. Estaba previsto que el SIF estuviera terminado en 2015.
- Revelar los misterios de nuevos materiales mediante espectroscopía láser ultrarrápida, similar a la fotografía de alta velocidad donde muchas imágenes rápidas revelan movimientos sutiles y cambios dentro de los materiales. Ver estas dinámicas es una estrategia emergente para comprender mejor cómo funcionan los nuevos materiales para que puedan usarse para permitir nuevas tecnologías energéticas.
- Creación de una tecnología de refinación de biocombustibles más rápida y limpia que no solo combine procesos sino que utilice materiales ampliamente disponibles para reducir costos.
- Hogar de un espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido de polarización nuclear dinámica (DNP) que ayuda a los científicos a comprender cómo se organizan los átomos individuales en los materiales. El DNP-NMR del Laboratorio Ames es el primero que se utiliza para la ciencia de materiales y la química en los Estados Unidos.
- En celebración del 75.º aniversario de su establecimiento como laboratorio nacional del DOE, el Laboratorio Ames pasa a llamarse Laboratorio Nacional Ames el 14 de julio de 2022. [6]
Directores del laboratorio Ames
Alumnos y profesores notables
Frank Spedding (BS 1925, MS 1926) (fallecido en 1984), dirigió la fase química del Proyecto Manhattan en la Segunda Guerra Mundial, que condujo a la primera reacción nuclear controlada del mundo. Fue el segundo miembro de la Academia Nacional de Ciencias del estado de Iowa y el primer director del Laboratorio Ames. El Dr. Spedding ganó el Premio Langmuir en 1933. Sólo Oscar K. Rice y Linus Pauling le precedieron en este logro. El premio ahora se llama Premio en Química Pura de la Sociedad Química Estadounidense . Fue el primer Profesor Distinguido de Ciencias y Humanidades en el estado de Iowa (1957). Otros premios incluyeron: Premio William H. Nichols de la sección de Nueva York de la Sociedad Química Estadounidense (1952); la Medalla de Oro James Douglas del Instituto Americano de Ingenieros de Minería, Metalurgia y Petróleo (1961) por sus logros en metalurgia no ferrosa; y el Premio Francis J. Clamer del Instituto Franklin (1969) por logros en metalurgia.
Harley Wilhelm (Ph.D. 1931) (fallecido en 1995), desarrolló el proceso más eficiente para producir uranio metálico para el Proyecto Manhattan, el Proceso Ames , un proceso todavía en uso.
Velmer A. Fassel (Ph.D. 1947) (fallecido en 1998), desarrolló el proceso analítico de espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES), utilizado para análisis químicos en todo el mundo; ex subdirector del Laboratorio Ames.
Karl A. Gschneidner, Jr. (BS 1952, Ph.D 1957) (fallecido) elegido miembro de la Academia Nacional de Ingeniería en 2007, Gschneidner era una autoridad mundial en metalurgia física y comportamiento térmico y eléctrico de materiales de tierras raras. . Gschneidner fue miembro de la Sociedad de Minerales, Metales y Materiales, miembro de la Sociedad Estadounidense de Materiales Internacionales y miembro de la Sociedad Estadounidense de Física .
James Renier (Ph.D.1955) (fallecido en 2019), [7] presidente y director ejecutivo de Honeywell Inc. (1988–93).
Darleane C. Hoffman (Ph.D. 1951) , ganadora de la Medalla Nacional de Ciencias en 1997 , ayudó a confirmar la existencia del elemento 106, seaborgio .
John Weaver (Ph.D. 1973) , nombrado Científico del Año 1997 por la revista R&D. Weaver dirige el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign.
James Halligan (BS 1962, MS 1965, Ph.D. 1967) , presidente de la Universidad Estatal de Oklahoma (1994-2002).
Allan Mackintosh (fallecido en 1995), experto en metales de tierras raras y presidente de la Sociedad Europea de Física .
James W. Mitchell (Ph.D. 1970) , nombrado primer profesor George Washington Carver de la Universidad Estatal de Iowa en 1994. Ganó dos premios R&D 100 y el prestigioso premio de investigación Percy L. Julian otorgado por la Organización Nacional para el Avance Profesional de las Personas Negras. Químicos e Ingenieros Químicos para la investigación industrial innovadora. Mitchell fue vicepresidente del Laboratorio de Investigación de Materiales de los Laboratorios Bell , Lucent Technologies .
John Corbett (fallecido en 2013), químico y del Laboratorio Ames, miembro de la Academia Nacional de Ciencias , creó el primerejemplo de buckybolas sin carbono ; Descubrió más de 1.000 nuevos materiales.
Kai-Ming Ho , Che-Ting Chan y Costas Soukoulis , físicos y del Laboratorio Ames, fueron los primeros en diseñar y demostrar la existencia de cristales fotónicos de banda prohibida, un descubrimiento que condujo al desarrollo del campo de los cristales fotónicos en rápida expansión . Se espera que los cristales fotónicos tengan aplicaciones revolucionarias en las comunicaciones ópticas y otras áreas de la tecnología de la luz. Soukoulis recibió el Premio Descartes a la Excelencia en Investigación Científica Colaborativa , elmás alto honor de la Unión Europea en el campo de la ciencia.
Dan Shechtman , ciencia e ingeniería de materiales y asociado del Laboratorio Nacional Ames, recibió el Premio Nobel de Química 2011 por el descubrimiento de cuasicristales en la Universidad Johns Hopkins . [4] [5]
Patricia Thiel (fallecida en 2020), química y Laboratorio Ames, recibió uno de los primeros 100 premios Mujeres en Ciencia e Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias (presentado en 1991). También recibió el premio AVS Medard W. Welch, que reconoce la investigación destacada en los campos de materiales, interfaces y procesamiento (presentado en 2014).
Edward Yeung , química y laboratorio Ames, primera persona en analizar cuantitativamente el contenido químico de un solo glóbulo rojo humano, utilizando un dispositivo que él diseñó y construyó; El desarrollo podría conducir a una mejor detección del SIDA, el cáncer y enfermedades genéticas como el Alzheimer, la distrofia muscular y el síndrome de Down. Yeung ha ganado cuatro premios R&D 100 y un premio Editor's Choice de la revista R&D por este trabajo pionero. Recibió en 2002 el Premio en Cromatografía de la Sociedad Química Estadounidense por su investigación en separaciones químicas. [8]
Klaus Rudenberg , física y Laboratorio Ames, ganador en 2001 del Premio de Química Teórica de la Sociedad Química Estadounidense por su investigación innovadora en el campo de la química teórica .
Paul Canfield, Sergey Bud'ko, Costas Soukoulis , física y el Laboratorio Ames, nombrados por Thomas Reuters como las mentes científicas más influyentes del mundo 2014. El premio reconoce el mayor número de artículos altamente citados (entre el 1 por ciento superior en su campo temático y año de publicación entre 2002 y 2012).
Costas Soukoulis , físico y Laboratorio Ames, recibió el Premio Max Born de la Sociedad Óptica de América en 2014. El premio honra a un científico que ha realizado contribuciones destacadas al campo científico de la óptica física.
Referencias
- ^ "Centro de preparación de materiales". Laboratorio Ames . Consultado el 17 de julio de 2013 .
- ^ "Página principal". Laboratorio de Computación Escalable. Archivado desde el original el 2 de julio de 2013 . Consultado el 17 de julio de 2013 .
- ^ "PISTA". Universidad Brigham Young. Archivado desde el original el 24 de julio de 2013 . Consultado el 17 de julio de 2013 .
- ^ ab "Dan Shechtman - Hechos". Fundación Nobel . Consultado el 4 de abril de 2024 .
- ^ ab "Dan Shechtman | Academia Estadounidense de Artes y Ciencias". Academia Estadounidense de Artes y Ciencias . Enero de 2024 . Consultado el 4 de abril de 2024 .
- ^ "El Laboratorio Ames ahora es el Laboratorio Nacional Ames | Laboratorio Ames". www.ameslab.gov . Consultado el 14 de julio de 2022 .
- ^ "Obituario de James J. Renier". Tribuna estelar de Minneapolis . Consultado el 12 de abril de 2022 .
- ^ "Premio ACS en Cromatografía". Sociedad Química Americana . Consultado el 12 de abril de 2022 .
enlaces externos
- Laboratorio Ames
- Instituto de Materiales Críticos
- Centro de preparación de materiales
- Universidad del Estado de Iowa
- Instituto de Investigación Física y Tecnología de la Universidad Estatal de Iowa
- Memoria biográfica de Frank Spedding, de John. D. Corbett
