巡展ℱ走进全球知名材料实验室之-美国阿贡国家实验室：科学研究的圣地
本文摘要：（由ai生成）
美国阿贡国家实验室（ANL）是美国最古老和最大的科学与工程研究实验室之一，成立于1946年，由芝加哥大学管理。ANL在核科学、能源、生物与环境、国家安全等领域进行跨学科研究，拥有先进光子源、纳米尺度材料中心等高端科研设施。实验室曾有三位诺贝尔奖得主，对美国科技发展做出了重要贡献。未来，ANL将继续其多样化管理，追求安全，保持在世界实验室前列。
国家实验室（National Laboratory）是国立科研机构的一种特殊形式，应国家战略需求而建立，随国家需求变化而演变，体现国家意志，承担国家任务。美国在20世纪逐步成为世界头号科技强国的过程，也正是美国国家实验室从创立到不断发展的过程，目前已经建成了一个完善而强大的国家实验室体系。美国的国家实验室系统是世界上最大的科研系统之一，美国能源部下属17个国家实验室，涉及海洋、能源、健康、信息、材料等多个领域。下面，让我们一起走进美国阿贡国家实验室。
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关于美国阿贡国家实验室
美国阿贡国家实验室
美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，简称ANL）是美国政府最老和最大的科学与工程研究实验室之一（在美国中西部最大）。阿贡实验室是1946年特许成立的美国第一个国家实验室，也是美国能源部（DOE）所属最大的研究中心之一。过去半个世纪中，由芝加哥大学下属的实验室管理分支机构UChicago Argonne，LLC负责实验室的运行。
作为美国能源部所属的最老也是最大的科学与工程研究实验室之一，阿贡拥有包括1000位科学家和工程师在内的大约3000名雇员，其中75%的人拥有博士学位。其致力于使用世界级科学、工程和用户设施创造和传输创新研究和技术，并积极通过转让许可、联合研究和其他一些合作方式，促进其研究成果的商业化转移。当前的阿贡已经与超过600家公司，以及无数的联邦机构和其他组织成功合作。
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阿贡实验室的成长之路
美国芝加哥大学
阿贡作为二战时期美国陆军部实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划的一部分，是从芝加哥大学的冶金实验室的基础上发展起来的。过去半个世纪中，芝加哥大学代替美国能源部及其前身担负着监管阿贡运行的任务。
1942年12月2日，阿贡的第一位诺贝尔奖获得者美国科学家费米（Enrico Fermi）和约50名同事，在芝加哥大学施塔格场（Stagg Field）看台下的一个废弃的壁球场创造了世界上第一个受控核裂变链式反应堆——“芝加哥一号堆”。不久，该反应堆经改建后作为反应堆控制材料试验研究和核物理研究使用的研究堆。当时的阿贡还只是芝加哥大学冶金实验室战时工作的一部分。
曼哈顿计划的部分科学家
（一排左一为费米）
阿贡国家实验室成功完成受控核链式反应后，由橡树岭国家实验室随后完成了浓缩铀235的提炼，并最终由洛斯·阿拉莫斯国家试验室组装并实施试验。阿贡、橡树岭、洛斯·阿拉莫斯一起完成了原子弹制造的重要环节。
1943年2月底，费米的反应堆被移到遥远的美国伊利诺伊州东北部库克县的森林保护区的阿贡森林区——为纪念在第一次世界大战中进行的一次重大战役战场欧洲森林而命名。反应堆附近渐渐成长起来的小实验室开始以“阿贡实验室”的名字为外界所知晓。
1946年7月1日，曼哈顿工程所属的冶金实验室正式更名为阿贡国家实验室，曾经在这里启动世界上第一台重水慢核反应堆的核心人物、曼哈顿计划的老将、美国物理学家沃尔特·津恩（Walter Zinn）当选第一任主管，并被赋予研制用于和平目的核反应堆的使命。
二战后，阿贡开始接受开发和平利用原子反应堆的任务。1948年4月22日，Walter Zinn向原子能委员会（AEC）提出建立全国性核反应堆试验场的建议。这一建议后来被称为直接促成了今天爱达荷国家实验室的前身——美国国家核反应堆试验站的建立。随后，阿贡与美国西屋公司签订技术合作协议共同开发商用核电，阿贡拉开了与商业企业合作的帷幕。
ANL长期在先进核反应堆系统和技术方面领先世界，设计、建造和测试了商用反应堆的样机，这些商用反应堆目前提供美国20％的电力，还研制了为美国第一批核潜艇提供动力的海军潜艇反应堆。
发展至今，阿贡的研究领域不断扩大，涵盖了科学、工程和技术等众多领域。阿贡拥有东西两个园区：东区位于伊利诺伊州占地6.9平方公里的森林保护区内。西区位于爱达荷州蛇河谷爱达荷瀑布西约50英里处，是阿贡多数主要核反应堆研究设施的所在地。2005年，阿贡（西）脱离阿贡，与紧邻的爱达荷州国家工程和环境实验室合并成为爱达荷州国家实验室。
03
阿贡今天：三大主要研究领域
如今阿贡进行了众多跨学科的基础与应用科学研究，这些学科包括高能物理学、气候学、数学和计算科学和生物工业学等。目前，阿贡致力于能源、生物与环境以及国家安全三大主要研究领域：
能源领域
阿贡不断开发新的先进电池和燃料电池，新的电力生成和储存系统，以及新的能源交通系统，以增加美国的能源使用效率，扩大能源范围。阿贡还致力于核能的研究，为提高美国核反应堆的安全和寿命而工作。
生物与环境领域
阿贡建立了分子标尺、水文学、经济以及社会综合计算模型，以便通过宏基因组分析、蛋白质发现和区域气候预测来进行区域生态气候评估。
国家安全领域
阿贡致力于开发关键性安全技术，用于保卫美国国土安全以及减轻大规模意外突发事件带来的危害。阿贡提供科学决策，研究开发新的传感器和材料，以及网络安全技术，努力防止核扩散和大规模杀伤性武器扩散。
阿贡还设计、建造、运行和管理着许多科学和工程研究高端设施，如先进光子源、串列直线加速器系统、纳米尺度材料中心、电子显微中心和强脉冲中子源等。这些复杂而造价昂贵的设施都作为美国国家科学资源而加以管理，实验室也将这些设施向来自工业界、学术界，甚至其他国家的研究人员开放，然后根据研究成果是否公开发表等条件判断是否收取一定费用。
阿贡拥有多学科、众部门庞大的科研体系，要使数量繁多的各学科实验室有条不紊的运行，阿贡有着自己独特的管理模式。
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国家科学用户装置
国家科学用户装置提供专门的仪器和技术，使科学家能够开展在他们自己的实验室不能开展的实验。用户装置是国家首要研发的装置，提供其他地方没有的技术和仪器，并在同行评审的基础上与科学界共享。可提供运行时间，对计划在公开杂志上发表研究结果的科学家不收取费用。专利研究以全部成本回收为基础进行收费。以下国家用户装置建在ANL或由其负责管理：
1、先进光子源（APS）
ANL的先进光子源APS（Advanced Photon Source）为几乎所有学科的研究提供美国亮度最高的储存环产生的X射线束流。
APS的X射线可使科学家们获得对地球中心和外空间以及各点之间材料的结构和功能的新知识。这项研究所获得的知识可能会影响内燃机和微电路的发展，协助开发新药和尺度在十亿分之一米的开创性的纳米技术等。这些研究会深远地影响美国的技术、经济、健康以及人类对构成世界的材料的基本了解。
2、ANL的纳米尺度材料中心CNM
ANL的纳米尺度材料中心CNM（Center for Nanoscale Materials）是一流的用户设施，为跨学科的纳米科学和纳米技术研究提供专门知识、工具以及基础设施。学术界、工业界和国外的研究人员可以通过该中心的用户计划为进行非专利和专利研究访问这一中心。
该中心的目标是支持基础研究和研制先进的仪器，帮助产生新的科学见解，创造具有独特功能的创新材料，大大促进有关能源的研究和发展项目的发展。
CNM是美国能源部科学局五个致力于纳米科学和纳米技术研究的纳米尺度科学研究中心之一。它是作为美国能源部纳米尺度科技研究中心计划的一部分，根据美国能源部与美国伊利诺斯州之间的合作协议而建造的。这些纳米尺度科学研究中心由一系列的配套装置组成，为研究人员提供最先进的加工、处理、表征和模拟纳米尺度材料的能力，构成国家纳米技术计划的最大基础设施投资。
3、串联直线加速器装置（ATLAS）
串联直线加速器装置ATLAS（Argonne Tandem Linear Accelerator System）是世界上第一台重于电子的超导粒子加速器。这个独特的系统是美国能源部的国家合作研究装置，对来自全世界的科学家开放。
ATLAS有以下几个重大实验设备：伽马射线球、碎片质谱仪、螺旋轨道光谱仪、Enge分极摄谱仪（pole spectrograph）、加拿大潘宁陷阱、大散射室和ATLAS原子陷阱。
4、超级计算设施（ALCF）
ANL的超级计算设施ALCF（Argonne Leadership Computing Facility）到2012年将升级为一台Mira超级计算机。Mira是IBM蓝色基因/Q超级计算机，每秒运行10千万亿次，它将给科学家们提供科学发现的一种新工具。Mira用于广泛的研究，包括设计超高效率的电动汽车电池，预测流体流动和先进核反应堆设计中的热对流交换，了解全球气候的变化，提高燃烧效率，和探索宇宙的演化。
计算和超级计算对解决最大的科学挑战至关重要。这次升级将有助于解决复杂的建模和模拟能力，对促进美国的经济繁荣和提高其全球竞争力是必不可少的。
ANL现有的超级计算机Intrepid是IBM蓝色基因/P型机，它的运算速度每秒超过500万亿次；Mira每秒运算10千万亿次，快于前者20倍。
5、大气辐射测量气候研究装置（ACRF）
大气辐射测量ARM（Atmospheric Radiation Measurement）气候研究装置（Climate Research Facility）是美国能源部的科学用户装置，用于国内和国际科学界对全球气候变化的研究。
大气辐射测量（ARM）项目1989年立项，资金由美国能源部提供。该项目要发展几个装备高性能仪器的地面站，研究云的形成过程及其对辐射传输的影响。这一科学的基础设施现在包含两个移动装置，一个空中装置和供全球科学家通过ARM气候研究装置利用的数据档案文件。
6、电子显微术中心（EMC）
ANL电子显微术中心EMC（Electron Microscopy Center）的任务是：（1）利用先进的微结构表征方法进行材料研究；（2）为ANL和国内科学界提供独一无二的资源和装置；（3）通过促进发展在仪器仪表、技术和科学专门知识方面最先进、相互促进的资源，发展和扩大微量分析的前沿。
EMC开展自己的研究，也参加ANL材料科学部、其他部科学家以及全世界研究人员、教育工作者和学生们的合作项目。EMC具有开发和维护电子束表征的独特能力，并用这些能力解决材料问题。EMC的工作人员与材料科学部、ANL其他部的成员，以及来自大学和其他实验室的合作者开展合作研究。另外，EMC的专门知识和设备还为国内和国际研究人员服务。
EMC强调三个主要领域：材料研究；技术和仪器仪表的研制；并作为国家研究装置进行运行。EMC研究人员的研究包括以显微术为基础对高温超导材料的研究，在金属和半导体中的辐射效应，相变和处理加工薄膜中界面的相关结构和化学研究。
7、交通运输研究和分析计算机中心（TRACC）
美国交通运输部（USDOT）与ANL合作，在伊利诺伊州芝加哥西杜佩奇国家科技园建立了高性能计算和工程分析研究设施。美国交通运输研究和分析计算机中心TRACC（Transportation Research and Analysis Computing Center）为交通运输研发界提供最先进的大规模并行计算机系统、先进的科学可视化能力、高速网络连接和现代工程分析软件。
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成就：诺贝尔奖得主
作为美国的第一个国家实验室，ANL进行广泛的跨学科的基础和应用科学研究，从高能物理到气候学和生物技术。自1990年以来，ANL曾与600多家企业和众多的联邦机构和其他组织合作，帮助提升美国的科学领先地位，并使美国为未来做好准备。每年，ANL的员工和ANL本身－因对科研的贡献而获得数百个荣誉和奖励，据不完全统计，其中包括3项诺贝尔奖，106项研发奖，700项国内和国际奖和荣誉奖，750项专利和启动30多个小公司。ANL的诺贝尔奖获得者如下：
阿列克谢·阿布里克索夫
2003年诺贝尔物理学奖
超导体和超流体理论
瑞典皇家学院10月7日宣布，将2003年诺贝尔物理学奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里克索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国家的科学家安东尼·莱格特，以表彰他们在超导体和超流体理论上做出的开创性贡献。获奖者维塔利·金兹堡和阿列克谢·阿布里科索夫在超导领域的卓越贡献加深了对超导电性和磁性如何共存的理解。
玛丽·戈佩特-迈耶夫人
1963年诺贝尔物理学奖
原子核理论和对称性原理
1963年诺贝尔物理学奖授予美国物理学家维格纳，以表彰他对原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对称原理的发现和应用所做出的贡献；授予美国物理学家玛丽·戈佩特-迈耶夫人和德国物理学家延森，以表彰他们在发现核壳层结构方面所做的贡献。
恩利克·费米
1938年诺贝尔物理学奖
由中子辐照而产生的新放射性元素的存在
以及发现由慢中子引发的核反应
费米是一位全能物理学家，在理论和实验两方面都有很高的造诣，也是最后一位同时擅长理论物理和实验物理的物理学家。他对物理学的许多领域都有不可磨灭的贡献，如经典统计力学、量子统计力学、量子电动力学、理论核物理学等，并创立了原子核β衰变理论和中子物理学。
06
结语
直到现在，阿贡的研究领域包括了基础科学、科学设施、能源资源计划、环境管理、国家安全、工业技术开发等许多领域，并谋求解决材料科学、物理、化学、生物学、生命和环境科学、高能物理、数学和计算科学等方面的科学挑战。
未来，阿贡将以其相对宽松的多样化管理，对安全的不懈追求，延续了阿贡的灿烂历史，也为阿贡研究出无数领先成果创造了条件，使阿贡稳立于世界实验室的前列。
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