材料科学研究前沿:回顾与展望

原标题:提高材料科学发现实验室的环境影响

材料科学研究前沿:回顾与展望

如今,每年需要企业计算和存储的电子数据量呈指数级增长。新建的数据中心所增加的可用物理空间,已难以满足市场需求的增长。因此,人们面临的挑战是在相同的空间提供更多的计算能力和电力容量。在相同的物理空间中要求更高级别的计算处理能力增加了热密度,所以数据中心业主需要更加高效的冷却系统,以便在满足业务增长的情况下满足市场需求。

asynt报道利物浦大学(英国)材料创新工厂的Rannard
Group如何使用公司提供的新技术,帮助改善环境影响,并减少材料科学发现实验室内的水和电消耗。

本文2019年3月3日首发于里瑟奇智库公众号,参见:

如今受到业界关注的一个冷却技术是绝热冷却,其用水量比其他制冷系统少90%。

材料创新工厂( MIF
)是联合利华和利物浦大学(英国)的合作伙伴。MIF结合了材料化学领域的知识领先地位、多学科研究专业知识、设施和动态支持基础设施,为研究提供了无与伦比的欧洲设施。MIF中还包含利物浦大学对亨利·罗伊斯学院的贡献,该学院旨在支持英国政府通过材料科学和创新促进经济增长的工业战略。

现代材料科学以物理学、化学、生物学、数学、计算机和数据科学以及工程科学的知识为基础,使我们能够理解、控制和扩展材料世界。尽管材料科学植根于基于探究的基础科学,但它致力于发现和生产可靠且经济可行的材料,从超级合金到聚合物复合材料,这些材料被用于当今社会和经济所必需的大量产品中。
近日,美国科学院、工程院和医学科学院发布了全球材料科学研究报告《材料研究前沿:十年调查》(Frontiers
of Materials Research: A Decadal Survey
(下文简称《报告》,英文版全文参见:)

图片 1

我在真理教的日子2在MIF设施接受史蒂夫·兰纳德教授的研究小组的视频采访时描述了研究人员利用Asynt的可持续实验室设备获得的积极“绿色”影响。

图片 2

数据中心绝热冷却系统

合成化学家通常需要在回流溶剂中在高温下进行反应——传统上,这是通过使用水驱动冷凝器在油浴中加热反应混合物来冷却热溶剂并防止蒸发来实现的。DrySyn多位置加热块使科学家能够进行清洁、安全的合成,而没有油浴带来的危险或问题。与CondenSyn空气冷凝器一起使用,而不是传统的水驱动冷凝器,实验室内的水和电消耗已经大大减少,并增加了消除洪水可能性的好处。

这份报告是应美国国家科学基金会和能源部要求撰写的,来自美国和全球材料科学的专家组,在深入和广泛的共识研究基础上,阐明美国和全球材料研究的现状和未来发展方向。报告这是材料研究的第三次十年调查。第一份报告题为《1990年代的材料科学和工程:保持材料时代的竞争力》,第二份报告题为《凝聚态物质和材料物理学:我们周围世界的科学》。

平衡环境和底线

通过安装由Asynt提供的新Genlab
E3干燥炉和Julabo循环器冷却系统,进一步改善了环境可持续性。与传统干燥炉不同的是,E3干燥炉隔热性能非常好,内置定时器和可调通风盖,在向实验室环境散热时浪费的能量很少。Julabo冷却系统取代了用于冷却旋转蒸发器冷凝器的浪费自来水消耗。

本报告回顾了材料研究的进展和成就,以及过去十年材料研究格局的变化,从材料类型、形式/结构、性质和现象以及材料科学全方位研究方法(包括实验、理论、计算、建模和仿真、仪器/技术开发、合成、表征等)等方面,全方位评估了最近十年美国和全球材料科学的发展现状。报告全面评估了过去十年材料研究的进展和成就,厘清了近十年来美国和全球材料研究的内部和外部环境的主要变化及其影响,面临的主要挑战和应对主措,提出了相关政策建议,包括未来十年的投资机会和新的研究领域,以及相关资助政策和产业政策。

随着互联网的快速发展,企业对更高的计算能力的需求逐年上升,但IT系统越强大,产生的热量就越多。随着数据中心的发展,对冷却设备的要求也越来越高。将数千瓦的计算机资源部署在更小的空间是降低设备成本和规模的关键。在这样做的过程中,数据中心将会增加IT系统的功率密度,而增加了功率,每单位面积的热量就会相应提高。

史蒂夫·兰纳德教授评论道:

报告认为,在过去的十年中,材料研究取得了许多明显改变范式的进展,发现的速度也在加快。此外,支持这项研究的工具——包括材料表征、合成和加工以及计算建模的能力——已经取得了相当大的进步,使得以前无法实现的见解得以实现。科学和工程是令人兴奋的,创造和控制新材料的前景是很好的,重要应用的途径是非常令人鼓舞的。报告指出,最近十年来,全球材料研究的在几乎所有领域上都取得了重大突破,而美国大学、国家实验室和工业界主要是在材料生长、测量和计算方面取得了巨大的进步,但在其他方面还存在不足,来自中国和亚洲其他国家的竞争正威胁美国在材料研究方面的领导地位。报告建议美国国家相关机构要加大对材料研究的支持力度,确保美国材料研究的全球领先地位。

除了增加电力成本外,数据中心所有者和运营商也比较关注环境影响,包括碳排放及其对当地发电厂和用水量的影响。虽然电力成本和供水量可能因地区而异,但世界各地的数据中心所有者都关注降低运营支出,并设法更有效地传输和处理数据,并使其电力能耗和用水量少于10年前的水平。

越来越多的人认为,我们不仅有能力进行先进的材料科学研究和制定,而且这样做是一种环境可持续的方式。我们对Asynt的投资肯定使我们能够降低集团MIF实验室的碳足迹”。

报告还指出了若干特别重要的材料研究的领域。如计算材料科学和工程领域,将计算方法(包括数据科学、机器学习和信息学)与材料表征、合成和加工方法相结合,加速材料发现和应用,并延伸到数字制造领域,其中增材制造和其他工艺将材料合成与制造直接联系起来。未来十年的另一个高度优选的领域是量子信息科学的材料,不仅包括量子计算,还包括存储、量子传感和通信技术,以及利用超导体、半导体、磁性材料、二维和拓扑材料等方面的进展等。

为了确保这些强大的IT系统处于最佳状态,并且不会由于过热而影响正常运作,其冷却系统也必须适应和增长。为了保持业务盈利,数据中心必须平衡先进的性能,强大的技术优势,以及运行这样的计算系统的成本。业界厂商已经明白,数据中心行业已经不能这样再持续数十年的发展,而随着需求的增长,将不断建立规模更大的数据中心。必须有效地清除机房热量,而不会大大增加运行数据中心的成本。

报告认为,材料科学和技术对全球环境质量和可持续发展也有巨大的影响。其中一个十分重要且活跃的领域是新型化学催化材料的设计,如等离子体辅助的热电子催化;材料可持续制造,包括原材料选择、节能制造和可回收等。报告认为,加大对材料研究基础设施支持力度,对材料科学健康发展至关重要。

高效绝热冷却

返回搜狐,查看更多

近十年来,材料研究的方方面面都取得了非凡的进展,几乎涵盖了所有的材料类型。例如,在上次系列报告中,对石墨烯的关注并不是很高,但这一领域目前已成为了比其他二维材料更激动人心的领域。石墨烯激发了人们对新物理现象的研究,在太阳能电池、晶体管、相机传感器、数字屏幕和半导体等许多电子应用领域具有潜在的应用价值。另一个活跃的领域是增材制造的发展,虽然这一领域只有几十年的历史,但目前已成为一个重要工艺,既可用于大规模生产,也可用于一次性按需制造。其他重要进展包括经济实惠的发光二极管照明、平板显示器和改进的电池等。

所有冷却设备必须将热量排除在空气中,大多数设计者都使用蒸发或空气冷却。蒸发冷却器(冷却塔)比空气冷却系统更节能,但它们使用大量的水,需要成本高昂的人工维护和化学处理。数据中心每年可以轻易地消耗数百万加仑的水。

责任编辑:

材料科学一些重要研究进展是纯发现驱动科学的产物,而另一些则是通过协调一致的技术努力而产生的(如Gorilla
Glass,[注]大猩猩玻璃是由前身是美国康宁公司在1960年代生产的,具防弹功能的特种玻璃,常被用于直升机,在正常情况下,非故意损坏不会造成划痕,是一种环保型铝硅钢化玻璃,现在主要应用于防刮划性能要求高的高端智能手机屏幕),还有一些则是这两者的某种结合(如增材制造和超分子材料vitrimers)。美国政府推出的材料基因组计划和国家纳米技术计划在促进美国材料研究方面发挥了重要作用。

当环境温度低时,空气冷却设备运行良好,但在炎热季节会消耗更多的能量。这种更高的能源需求需要一个更大和更昂贵的基础设施来支持它。例如,后备发电机的尺寸必须尽可能大,因此相对于蒸发系统而言,备用发电机的尺寸要大得多。

在过去十年中,金属、块体金属玻璃、高性能合金、陶瓷和玻璃等领域取得了令人振奋的进展。由于复合材料和混合材料能够承受恶劣环境,如体相材料、复合材料和涂层材料,以及它们在设备中的功能性,因此它们已经得到了高价值的应用。涂层技术的进步提高了可靠性,并将其用于热保护和环境保护系统。在越来越多的应用中,分层材料系统正在取代先进的单片材料,在这些应用中,每一层的独特性能和功能显著提高了性能和寿命。在聚合物、各种生物材料以及软物质方面都取得了巨大的进展。

最近,出现的新技术可以为数据中心提供第三种冷却方案,即绝热冷却,将蒸发和空气冷却集成到一个系统中。绝热冷却系统利用水的蒸发效应将周围空气预先冷却湿球,从而使冷却器更为有效,操作更为高效。