埃姆斯实验室

**埃姆斯國家實驗室**（英語：Ames National Laboratory），舊稱**埃姆斯實驗室**（英語：Ames Laboratory），是美國能源部下屬的國家實驗室，位於艾奧瓦州的埃姆斯，附屬於愛荷華州立大學。實驗室致力於新材料的設計、合成與製備；材料的表徵；計算化學；凝聚體物理學理論等方面的研究。實驗室位於愛荷華州立大學的校園內。

2013 年 1 月，美國能源部宣布在埃姆斯實驗室建立關鍵材料研究所（Critical Materials Institute，CMI）以解決美國國內日益短缺的稀土金屬資源問題，以及發展其他與美國能源安全相關的材料。

## 歷史

### 1940 年代

1942 年，法蘭克・斯佩丁作為愛荷華州立學院（Iowa State College，愛荷華州立大學的前稱）的稀土金屬專家，主持成立了名為「埃姆斯計劃」的科研項目。這個服務於曼哈頓計劃的項目旨在為原子彈的研究提供大量高純度的鈾。項目副總監哈雷・A・威爾亨姆發展了一種新方法（後被稱為「埃姆斯過程」）提純鈾。藉助此提純方法，埃姆斯計劃為芝加哥 1 號堆提供了約兩噸的鈾，占反應爐使用鈾總量的三分之一。直至 1945 年，埃姆斯計劃總計產出逾兩百萬磅（1000 噸）鈾供曼哈頓計劃使用。

二戰結束後，埃姆斯計劃獲得了美國海軍「E」傑出獎的榮譽，表彰該計劃在兩年半的時間內，對重要戰爭物資 —— 金屬鈾的工業化生產作出的傑出貢獻。作為教育機構，愛荷華州立大學獲得了這項一般只會頒發給企業的榮譽。埃姆斯計劃中的其他關鍵成果還包括：

* 發展了一種可從金屬廢料中提取鈾的工序。
* 大量生產了釷。二戰前每克釷的售價為 5 美元，而埃姆斯計劃中生產的每克釷的價格最後下降為不到 5 美分。

由於埃姆斯計劃的成功，美國原子能委員會於 1947 年 5 月 17 日正式建立了埃姆斯實驗室。

### 1950 年代

埃姆斯實驗室有關稀土元素的工作，讓實驗室取得了該領域內的一定聲望。實驗室的科學家也對核燃料以及核反應爐的結構材料進行了研究。為了把科研成果轉化為工業上的應用，實驗室的大部分設備都被用作大型工業化生產的模型，來進行稀土金屬的生產試驗與測試。

同時期的其他關鍵成果：

* 發展了分離鉿、鈮、鉭、鈰和釔的生產流程。
* 發現了一種新的同位素：磷 - 33。
* 發展了離子交換法用於分離稀土金屬。
* 發展了一種從核燃料中分離出稀土金屬的方法。

### 1960 年代

由於在新材料的探索研究方面的需求，實驗室的雇員數量在 1960 年代達到了頂峰。為了開展中子繞射實驗，實驗室於 1961 年開始籌建一個五兆瓦的重水反應爐，並於 1966 年 6 月開始運行。美國原子能委員會在埃姆斯實驗室建立了一個稀土資訊中心（Rare-Earth Information Center），為科研團體提供有關稀土金屬與其化合物的各種資訊。

同時期的其他關鍵成果：

* 發現了一種新的同位素：銅 - 69。
* 修建了世界上第一個成功連接反應爐運作的同位素分離器 ——TRISTAN（Terrific Reactor Isotope Separator to Analyze Nuclei）。
* 實驗室的物理學家成功生長了第一塊大體積的固態氦晶體，並藉此測量了固態氦的熱容。

### 1970 年代

由於美國原子能委員會在 1970 年代被併入美國能源部，有一些研究項目被關閉，又有一些新的研究項目被開啟。美國聯邦政府重整合併了一些反應爐，導致埃姆斯實驗室的反應爐於 1977 年被關閉。埃姆斯實驗室開始著重於應用數學，太陽能，化石燃料與污染控制的研究。

同時期的其他關鍵成果：

* 實驗室發展了世界上第一台電感耦合電漿原子發射光譜設備，可迅速地從樣品中同時檢測出多種不同的稀有元素。
* 對從廢棄汽車中提取銅，錫和鉻進行研究，使得剩餘的鋼的純度足以用於回收再利用。
* 發明了一種圖像增幅器，顯著地降低了 X 射線醫療中人體接受的輻射劑量。

### 1980 年代

在 1980 年代，埃姆斯實驗室以滿足當地和國內的能源需求為目標開展了各項研究。化石燃料研究著眼於如何更為清潔地燃煤；新技術被用於清理放射性廢料；高性能計算被加入到應用數學和固態物理學的研究項目中。此外，美國能源部在埃姆斯實驗室建立了材料製備中心（Materials Preparation Center），向公眾提供新材料發展的相關資訊。

同時期的其他關鍵成果：

* 發展了一種液體接界（liquid-junction）太陽能電池，此電池具有效率高，耐久且無毒等優點。
* 獲得了美國國防部的一筆資金援助，之後建立了無損檢測中心（Center for Nondestructive Evaluation，CNDE）用於發展航空器的無損檢測技術。
* 發展了一種製造釹鐵合金的新方法，為廣泛使用的釹磁鐵提供原料。
* 協助開發磁致伸縮材料 Terfenol-D，這種材料在聲納與換能器中有實際應用。

### 1990 年代

在新材料的開發研究中，埃姆斯實驗室延續著自己將基礎科研成果轉化為工業應用的努力。實驗室建立了可擴展計算實驗室，不但發展了並行計算，也為其他的科學家提供了廉價的計算資源。另外，研究者發現了第一個由非碳原子組成的富勒烯；發展了一種 DNA 序列分析儀，比其他的同類儀器快 24 倍。

同時期的其他關鍵成果：

* 發展了 HINT 基準（benchmarking）技術，用於對不同量級的電腦的性能進行客觀比較。源程序現存於楊百翰大學的網站。
* 改進了高壓氣體霧化（high pressure gas atomization）的工藝，可將熔融金屬轉化為細顆粒的金屬粉末。
* 發現了一種可應用於磁致冷的新材料。
* 發展了一種高強度的無鉛焊料。
* 發明了一種毛細管電泳技術，可同時分析多種化學樣品，在藥品學、遺傳學、醫學以及司法科學中有實際應用。這項研究衍生產業（Research spin-off）催生的 Combisep 公司已經成功地商業化了該技術。

### 2000 年代

* 發現了一種超高硬度的硼 - 鋁 - 鎂合金（boron-aluminum-magnesium alloy，BAM）。在泵的葉片上加鍍一層 BAM 可減少摩擦，且提升耐磨性，大大提高了泵的工作效率。
* 實驗室的材料製備中心（Materials Preparation Center）製備的材料被用於歐洲太空總署發射的普朗克衛星上，其中的鑭 - 鎳 - 錫合金被用於普朗克衛星的超低溫冷卻系統中。
* 參與開發 osgBullet。此軟體通過實現三維實時模擬，可以幫助工程師設計各種複雜的系統，包括下一代發電廠和高性能汽車。osgBullet 於 2010 年榮獲當年 R&D 100 大獎。
* 實驗室的研究者們在光子晶體的微波波段觀測到負折射現象，使得實現可見光波段的負折射材料和超透鏡的夢想更近了一步。

### 2011 年至今

* 發展了一種可將熱能轉換為電能的新合金，轉換效率比現有技術高出 25%。此項新研究可在未來用於提高熱傳導發電機的工作效率。
* 與韓國工業技術研究所簽訂諒解備忘錄，增進稀土元素研究的國際合作。
* 埃姆斯實驗室的科學家丹・謝赫特曼因准晶的發現榮獲 2011 年的諾貝爾化學獎。
* 實驗室的科學家使用氣體霧化（Gas atomization）技術，將鈦粉的產率提高到傳統方式的十倍有餘。此項研究在美國下一代尖端能源創新者挑戰（America’s Next Top Energy Innovator Challenge）中獲獎。藉助此技術成立的愛荷華州粉霧技術公司（Iowa Powder Atomization Technologies）於 2014 年被普萊克斯公司接管。
* 對下一代鋁 - 鈣化合物供電傳輸線的研究。這種電線將會更輕，強度更強，且它的電導率至少比現有的直流電輸電線要高百分之十。
* 美國能源部於 2013 年下撥實驗室資金 1.2 億美元啟動一個新的能源創新樞紐（Energy Innovation Hub）—— 關鍵材料研究所（Critical Materials Institute）的建設。研究所將集中精力尋找替代方案以減少美國對關鍵材料的依賴，從而引導美國工業向潔淨高效的方向發展。
* 2014 年，靈敏儀器研究設施（Sensitive Instrument Facility，SIF）開始動土。SIF 將成為實驗室現有的透射電子顯微鏡以及其他的高精尖靈敏儀器的放置點，可以為設備提供隔絕振動、電磁以及其他類型擾動的環境。SIF 已於 2016 年 5 月 6 日正式落成。
* 添置了一台動態核偏振（dynamic nuclear polarization，DNP）固態核磁共振波譜儀。DNP - 核磁共振可以幫助科學家理解單個原子是如何在材料中排列的。這是全美第一台被用於研究材料科學和化學的 DNP - 核磁共振儀。
* 2022 年 7 月，於慶祝實驗室建立 75 周年之際，實驗室名稱由先前的「埃姆斯實驗室」改名為「埃姆斯國家實驗室」。

## 歷屆主任

## 相關著名科學家

* 法蘭克・斯佩丁，主持了二戰曼哈頓計劃化學方面的工作，是愛荷華州立大學的第二位美國國家科學院院士，同時是埃姆斯實驗室的第一屆主任，曾獲 1933 年的歐文・朗繆耳獎，愛荷華州立大學的第一位科學與人文杰出教授（Distinguished Professor of Sciences and Humanities）。他所獲的其他獎項包括：威廉・H・尼克爾斯獎、詹姆斯・道格拉斯金獎章以及弗蘭西斯・克拉梅獎（Francis J. Clamer Award）。
* 哈雷・A・威爾亨姆，參與曼哈頓計劃，發展了用於生產鈾金屬的埃姆斯過程。此生產方法沿用至今。
* 韋爾默・A・法塞爾，因為發展被稱為電感耦合電漿–原子發射光譜（inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy，ICP-AES）的化學分析手段而在國際上聞名。
* 艾倫・麥金托什，稀土金屬方面的傑出專家，曾經擔任歐洲物理學會主席。
* 約翰・科貝特，美國國家科學院院士，發現了第一個由非碳原子組成的富勒烯。
* 何愷明（Kai-Ming Ho）、陳子亭（Che-Ting Chan）和科斯塔斯・索科利斯（Costas Soukoulis），設計並演示了光子帶隙晶體（photonic band gap crystal）的存在。此發現被列為美國能源部能源 100 大獎（DOE Energy 100 Awards）的第 24 位，促進了光子晶體領域的發展。光子晶體被認為在現代光通訊以及其他光學領域具有革命性應用的潛力。
* 丹・謝赫特曼，埃姆斯實驗室的材料科學家、工程師，因為發現准晶而成為 2011 年的諾貝爾化學獎得主。
* 帕特里夏・蒂爾，美國文理科學院院士，2014 年因「對理解准晶體表面以及薄膜成核和生長的開創性貢獻」獲得 Medard W. Welch 獎。
* 愛德華・楊，首位對單一人類紅血球化學成分作出定量分析的科學家。這項研究可對愛滋病，癌症和其他遺傳性疾病，例如阿爾茨海默症，肌肉萎縮症和唐氏症候群的檢測作出改善。愛德華・楊曾獲得過四次 R&D 100 大獎以及 R&D 雜誌的一次主編選薦獎（Editor's Choice award）。對化學物質分離過程的研究讓他在 2002 年獲得美國化學學會授予的色譜學獎。
* 克勞斯・魯登伯格（Klaus Ruedenberg），因在理論化學領域的前沿研究而被授予 2002 年的美國化學學會的理論化學獎。
* 科斯塔斯・索科利斯，2005 年笛卡爾獎（歐盟於科學領域所頒發的最高獎項）和 2014 年馬克斯・玻恩獎得主。

## 參考文獻

## 外部連結

* 官方網站
* 關鍵材料研究所（Critical Materials Institute） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 材料製備中心（Materials Preparation Center） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 愛荷華州立大學官方網站 \* （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 法蘭克・斯佩丁的傳記式追思錄，John. D. Corbett 著 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）