邁克爾是麻省理工大學(xué)材料科學(xué)工程系的副教授，同時(shí)也是美國(guó)洛杉磯白楊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一員。該實(shí)驗(yàn)室剛剛收到一筆來(lái)自美國(guó)聯(lián)邦政府“能源尖端研究中心”的津貼，用于發(fā)展納米級(jí)的合成材料。據(jù)稱，納米級(jí)的合成材料可以耐高溫、輻射以及承受極端的機(jī)械負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)室發(fā)展新技術(shù)的最終目的是將其應(yīng)用于能源領(lǐng)域，制造核電廠、燃料電池、太陽(yáng)能電板、碳吸存設(shè)備等所需的材料。
邁克爾解釋說(shuō)，能源生產(chǎn)的所有領(lǐng)域都十分需要能耐極端環(huán)境的材料，因此該技術(shù)前途無(wú)量。.邁克爾與他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了新方法，用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)擁有優(yōu)良特性納米級(jí)合成材料。他說(shuō)，目前人們也有其他的方法設(shè)計(jì)并制造出相應(yīng)的納米級(jí)材料，并同時(shí)預(yù)測(cè)制出的納米級(jí)材料所擁有的特性。但這些方法需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中慢慢改進(jìn)，因此成本大、耗時(shí)長(zhǎng)，不是生產(chǎn)新材料的最佳辦法。而邁克爾他們提供的新方法不僅能夠極大地加快材料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的過(guò)程，同時(shí)也可以很好地解決材料科學(xué)家提出的“逆問(wèn)題”。“逆問(wèn)題”是指在納米材料生產(chǎn)出來(lái)之前，詳細(xì)描述科學(xué)家們所設(shè)想的納米級(jí)材料應(yīng)該擁有的一系列屬性以及預(yù)測(cè)哪種相應(yīng)結(jié)構(gòu)可能擁有這些屬性。
輻射破壞材料結(jié)構(gòu)
邁克爾及其工作小組的第一個(gè)目標(biāo)就是生產(chǎn)出具有抗輻射屬性的材料。之所以將材料的抗輻射性看得如此重要是因?yàn)檫@一屬性能讓核電廠變得更加安全，同時(shí)提高核電廠的發(fā)電效率。
一般情況下，當(dāng)材料被暴露于輻射線中時(shí)，高能量粒子，如中子就會(huì)被加速并與單獨(dú)的原子相撞，將它們撞出原來(lái)的晶體結(jié)構(gòu)。原子離開(kāi)固有的晶結(jié)構(gòu)之后的運(yùn)行軌跡與撞球相似：被移位的原子又與附近晶體結(jié)構(gòu)中的原子相撞，使后者同樣離開(kāi)原來(lái)的位置，依此類推。這樣一來(lái)，射線造成的破壞就由單個(gè)晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到整個(gè)材料，使材料中形成很多“空缺”（晶體結(jié)構(gòu)中原子缺失）與“間隙”（多余的原子擠進(jìn)本來(lái)不屬于自己的位置），最終將材料完全損壞。
納米級(jí)合成材料的抗輻射屬性
制造抗輻射的納米級(jí)合成材料的關(guān)鍵在于不同材料層之間的界面。材料層變得越，界面對(duì)材料屬性的影響就越大。而正是這些界面使合成材料擁有合成要素所不擁有的全新特性。下面就是納米級(jí)合成材料的自動(dòng)修復(fù)特性：
在納米級(jí)的合成材料中，上述“空缺”與“間隙”能在界面被同時(shí)捕獲，并極可能相遇。如果二者相遇，“間隙”中多余的原子就能重新填入“空缺”中，從而使被破壞的晶格結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)。據(jù)邁克爾稱，修復(fù)完成之后，合成材料就能完全恢復(fù)以前的屬性，看起來(lái)像沒(méi)有受到輻射一樣。
抗輻射材料在核反應(yīng)堆中展身手
目前被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆的是不銹鋼。若用新材料取代不銹鋼，不但可以延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的使用壽命，同時(shí)也能使反應(yīng)堆能在高輻射環(huán)境中工作。研究人員解釋說(shuō)，由于現(xiàn)有核反應(yīng)堆抗輻射能力差，大量核燃料都不能得到充分燃料，因此現(xiàn)有反應(yīng)堆中核燃料的燃燒率僅為1%（核燃料燃燒越充分，所產(chǎn)生的核輻射越強(qiáng)）。據(jù)科學(xué)家預(yù)計(jì)，使用新材料的反應(yīng)堆能大大提高核燃料的燃燒率，在提高核燃料利用率的同時(shí)也減少了核電廠內(nèi)所產(chǎn)生的核廢料量。
邁克爾與其工作團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用不同原子組之間的機(jī)械互動(dòng)制造出能夠抗輻射的納米級(jí)材料。2008年，邁克爾曾在國(guó)際物理學(xué)最具影響的學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上描述過(guò)該物質(zhì)。它是由金屬銅與鈮合成而來(lái)。不過(guò)該合成材料并不能被應(yīng)用于核電廠內(nèi)，因?yàn)樗罩凶又髸?huì)衰變成放射性材料。盡管如此，既然已經(jīng)知道銅鈮合成材料能抵抗輻射，邁克爾相信他們很快便能利用自己的方法找到其他的具有相同屬性、并且性能更加優(yōu)越的新材料。不過(guò)邁克爾同時(shí)指出，由于核電廠的敏感性及破壞性，即使他們找到了合適的金屬材料，也不能馬上被用于核反應(yīng)堆中。前期的測(cè)試就有可能持續(xù)十年左右。
