این یک واقعیت در علم امروز است که برای مطالعه کوچکترین و اساسی ترین عناصر طبیعت، دانشمندان نیاز به دسترسی به برخی از بزرگترین و قدرتمندترین مراکز تحقیقاتی در جهان دارند – با امکاناتی که اغلب میلیاردها دلار هزینه دارد.
ابزارها و فن‌آوری‌های پشتیبان در این تأسیسات برای مطالعه ساختارها و فرآیندهای اتمی، زیر اتمی و کوانتومی که بنیادی‌ترین خواص فیزیکی مواد و فرآیندهای شیمیایی را شکل می‌دهند، مورد نیاز است.
برخلاف تحقیقات در بسیاری از زمینه های دیگر، اکتشافات انجام شده توسط این مطالعات اغلب کاربرد عملی فوری ندارند. در عوض، آنها به ما بینشی در مورد چگونگی تشکیل جهان می دهند.
مارتین موریگال، دانشیار دانشگاه جورجیا تک، می گوید: «مشاهده و درک ماهیت اساسی مواد معمولاً بلافاصله به توسعه و استفاده از مواد در کاربردهای روزمره منجر نمی شود. اما در آینده، دانشمندان می توانند از اکتشافات امروزی استفاده کنند و بر اساس آن ها فناوری های جدید و کاربردی را توسعه دهند.
موریگال و شاگردانش کاربران مکرر تأسیسات علمی نوترونی ORNL هستند، جایی که خواص اساسی مواد طبیعی و مصنوعی را مطالعه می کنند.
وی گفت: «علوم پایه یا علوم پایه اساساً شامل جستجوی دانش برای دانش است. تفاوت این علم با علم کاربردی در این است که استفاده از یافته های علمی پایه برای اهداف عملی ممکن است سال ها یا دهه ها طول بکشد.
در ORNL، منبع نوترون Spallation، راکتور ایزوتوپی با شار بالا، و مرکز علوم مواد نانوفاز، امکانات کاربری هستند که عمدتاً به تحقیقات پایه اختصاص داده شده‌اند. این امکانات در خدمت جامعه علمی جهانی به دنبال پرسش ها و چالش های علمی اساسی است. هر سه مورد توسط دفتر علوم DOE، بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده پشتیبانی می شوند.
SNS بر اساس یک شتاب دهنده خطی تقریباً 1000 فوتی است و یکی از قدرتمندترین منابع نوترونی در جهان است. این شتاب دهنده یک جریان پالسی 1.4 مگاواتی از پروتون ها را با سرعتی نزدیک به 90 درصد نور ارائه می کند تا توانایی های کلاس جهانی 19 ابزار نوترونی خود را فعال کند.
SNS پرتوهای نوترونی را در اختیار محققان قرار می دهد که وضوح بالا و طیف وسیعی از انرژی ها را برای استفاده در آزمایش ها امکان پذیر می کند. نوترون های پالسی که SNS تولید می کند، نوترون های “حرارتی” نامیده می شوند زیرا انرژی آنها با حرکت نوسانی اتم ها در دمای اتاق مطابقت دارد. نوترون های حرارتی دارای طول موج های چند دهم نانومتر هستند که برای آزمایش هایی مانند تعیین موقعیت اتم ها در جامدات و واکنش های شیمیایی ایده آل است. چنین تحقیقاتی منجر به درک بهتر پدیده هایی مانند نظم مغناطیسی، ابررسانایی و ترموالکتریک در مواد مختلف شده است.
مکمل SNS راکتور ایزوتوپی با شار بالا است، یک راکتور هسته ای 85 مگاواتی که در آن شکافت هسته ای جریان ثابتی از نوترون ها را به عنوان محصول جانبی تولید می کند.
HFIR هم نوترون های گرمایی و هم نوترون های “سرد” تولید می کند که به عنوان سرد شناخته می شوند زیرا از یک تعدیل کننده خنک کننده برودتی حاوی هیدروژن مایع عبور می کنند. این باعث کاهش سرعت آنها برای تولید نوترون های با انرژی کمتر و طول موج بلندتر می شود که برای مطالعه مواد با حرکات اتمی کم انرژی و فعل و انفعالات مغناطیسی و همچنین ساختارهای بزرگتر مناسب تر است – به عنوان مثال، نوسانات مغناطیسی در مواد کوانتومی یا فاصله بین گروه ها. اتم های یک پروتئین
در یک سال معمولی، SNS و HFIR میزبان تقریباً 1300 کاربر از دانشگاه، صنعت و دولت هستند که در سراسر کشور و سراسر جهان برای دسترسی به این امکانات منحصر به فرد کاربر سفر می کنند. دانشمندان از نوترون ها در SNS و HFIR برای دستیابی به اکتشافات مهم در علم مواد، مانند مواد مورد استفاده برای ذخیره انرژی، داروها و واکسن ها، پلیمرها و بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده کرده اند.
نوترون ها به ویژه برای مشاهده عناصر سبک تر مانند اتم های هیدروژن، مواد داخلی و نمونه های بیولوژیکی مفید هستند. این امر نوترون‌ها را برای بسیاری از آزمایش‌ها ایده‌آل می‌کند، مانند ردیابی محل اتم‌های سبک‌تر در ترکیبات لیتیوم درون باتری‌ها – معمولاً بدون آسیب رساندن به نمونه‌ها یا آسیب رساندن به نمونه‌ها.
موریگال گفت: «تحقیقات گروه ما در SNS و HFIR تحقیقات بنیادی تلقی می‌شود، زیرا ما رفتار الکترون‌ها و اتم‌ها را در مواد مطالعه می‌کنیم. این چالش بزرگ علوم پایه است – پیش‌بینی رفتار ماده، انرژی و اطلاعات از قوانین مکانیک کوانتومی که بر تعاملات بین اجزای میکروسکوپی حاکم است. بدون قابلیت‌های منحصربه‌فرد SNS و HFIR در سطح جهانی، نمی‌توانستیم این تحقیق را انجام دهیم. ما نمی‌توانیم مواد را مطالعه کنیم و اکتشافاتی مانند آنچه در طول سال‌ها انجام داده‌ایم، انجام دهیم.”
سومین مرکز کاربری علوم پایه در ORNL، مرکز علوم مواد نانوفاز است. CNMS طیف وسیعی از ابزارهای تخصصی را برای تصویربرداری، سنتز، مشخصه‌سازی و ساخت مواد و مجموعه‌های جدید در مقیاس نانو، از جمله ادغام مواد سخت و نرم، در اختیار کاربران قرار می‌دهد. این ابزارها شامل ابزارهای طیف‌سنجی نوری و لیزری، میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی، میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری ماده نرم، میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری روبشی و دستگاه‌های توموگرافی الکترونی یون هلیوم و پروب اتمی است. محیط Cleanroom کلاس 1000 سنتز کنترل شده و مونتاژ هدایت شده نانومواد را تسهیل می کند.
مانند همه امکانات کاربر ORNL، CNMS، SNS و HFIR دسترسی جامعه کاربر ملی و بین‌المللی را به تخصص، امکانات و قابلیت‌های کارکنان بر اساس پیشنهادات بررسی شده ارائه می‌دهند. کاربران پیشنهادات تحقیقاتی خود را برای بررسی توسط دانشمندان مستقل ارسال می‌کنند تا مطمئن شوند که امیدوارکننده‌ترین آزمایش‌ها انتخاب شده‌اند. دانشمندانی که پروپوزال‌هایشان انتخاب می‌شود، می‌توانند تحقیقات خود را به‌صورت رایگان برای آنها یا مؤسسات و شرکت‌هایشان انجام دهند، البته تا زمانی که نتایج خود را منتشر کنند.
CNMS همچنین به عنوان دروازه ای برای جامعه علم نانو عمل می کند تا از منابع نوترونی و منابع محاسباتی ORNL استفاده کند. این تسهیلات کاربر معمولاً سالانه بیش از 600 کاربر منحصر به فرد را دریافت می کند که حدود 50 درصد آنها از دانشگاه های ایالات متحده هستند. بسته به دامنه کار، کاربران تحقیقاتی را در CNMS انجام می دهند که از چند روز تا چند ماه طول می کشد – با برخی از پروژه های بلندمدت حتی سال ها.
یکی از کاربران، محقق دانشگاه وندربیلت، سامی حلیمی، اخیراً مدرک Ph.D. بر اساس آزمایش‌های علوم پایه که او عمدتاً در CNMS انجام داد. او در گروه تحقیقاتی استاد مهندسی برق شارون وایس در دانشگاه کار می کند که حدود 2.5 ساعت با ماشین از ORNL فاصله دارد.
حلیمی گفت: «تحقیق من شامل استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی در CNMS برای ایجاد ساختارهای فوتونیک بسیار کوچک بود. این شامل ایجاد دستگاه‌های موجبر میکروسکوپی و نانوسکوپی بر روی یک تراشه است که از نور یا فوتون‌ها برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند، برخلاف الکترون‌هایی که توسط تراشه‌های رایانه‌ای معمولی استفاده می‌شوند.»
وی افزود: “آزمایشگاه تحقیقاتی ویس وندربیلت رابطه دیرینه ای با CNMS داشته است و این به حفظ تداوم عالی برای دانشجویان ما که در آنجا تحقیقات انجام می دهند کمک کرده است. دانش‌آموزان جدیدتر از تجربه‌ای که بزرگ‌ترها به آنها منتقل می‌کنند، سود می‌برند، بنابراین مجبور نیستند با کارکنان CNMS که به آنها نحوه استفاده از ابزارها و تجهیزات را آموزش می‌دهند، از صفر شروع کنند.»
حلیمی توضیح داد که چگونه تداوم تجربه و تخصص دانشجویی مزایایی فراتر از پروژه های تحقیقاتی فعلی دارد. بسیاری از مدارسی که مانند ما به امکانات کاربری با بودجه فدرال دسترسی ندارند تمایل دارند برنامه درسی متمرکز بر شبیه سازی را آموزش دهند، در حالی که دانش آموزان اینجا می توانند همان مدل سازی ها را انجام دهند و سپس آزمایشات عملی را در ORNL انجام دهند تا آن شبیه سازی ها را تأیید کنند. “.”
تجارت و صنعت نیز از دسترسی به امکانات عمده مصرف کننده ORNL سود می برند. این تأثیر را می توان در تأسیسات کاربر DOE در سراسر کشور مشاهده کرد، جایی که شرکت ها اغلب برای دسترسی آسان به مراکز تحقیقاتی در این نزدیکی قرار می گیرند. نتیجه یک رابطه دوجانبه سودمند است زیرا این مشاغل به رشد اقتصادهای محلی از طریق ایجاد شغل مستقیم و غیرمستقیم و گسترش پایه مالیاتی کمک می کنند.
در نهایت، یکی از مهم ترین مزایای امکانات کاربری ORNL این است که آنها نقش زیادی در کمک به آموزش نسل های آینده دانشمندان ایفا می کنند.
زمانی که دانش‌آموزان من آزمایش‌هایی را در ORNL راه‌اندازی می‌کنند، مسئول تماس با دفتر کاربر، انجام کارهای اداری، هماهنگی با دانشمندان ابزار و کارکنان مرکز، و رسیدگی به بسیاری از جزئیات دیگر هستند که به آنها در یادگیری مهارت‌های نرم، از جمله مهارت‌های شغلی با افراد کمک می‌کند.» موریگال گفت. “این مربوط به ابتکار ملی کوانتومی کشور است که تا حدی برای تسهیل آموزش نیروی کار کوانتومی آینده کشورمان طراحی شده است – زیرا وقتی از نوترون ها استفاده می کنیم، اغلب با سیستم های کوانتومی پیچیده سر و کار داریم.”
موریگال توضیح داد که این مهارت های علوم پایه نه تنها برای جامعه علمی جمعی در ایالات متحده مفید خواهد بود، بلکه می تواند پس از فارغ التحصیلی و ورود به نیروی کار خارج از دانشگاه نیز به خوبی به دانش آموزان خدمت کند.
من معتقدم که با ارائه تجربیات دانش‌آموزان در زمینه پراکندگی نوترون، دانشمندان، مهندسان و شهروندان برتر فردا را آموزش می‌دهیم تا با چالش‌های فراوانی که ملت و جهان پیش رو با آن روبرو هستند روبرو شوند.»
