计算化学与人间太阳的发明
核能是效率最高的能源。 引爆原子弹的核裂变,人类已可以控制,目前广泛使用的核电站即利用受控核裂变技术。氢弹级别的核聚变能量空前巨大,太阳发射的不竭阳光就是来自其内部永不中断的核爆炸。控制核聚变,使它用于能源和其他和平用途的“人间太阳”项目还在研究阶段,不仅美苏研究多年,中国和法国在受控核聚变研究上也有长足进步。最近,中英科学家在这方面的研究又有新创获,其中西安交大的丁理峰团队研发的计算化学方法贡献了新的路径技术,在可控核聚变领域取得突破,研究出一种有效获取高纯度氘的材料,相关成果在国际学术期刊《科学》发表。
可控核聚变是一种绿色能源,但如何找到稳定的可控核聚变燃料,仍是一个具有挑战性的课题。氢的同位素——氘,就是一种潜在的可控核聚变燃料,但氘在自然界中的浓度很低。通常,高纯度、高浓度的氘是通过分离‘氢—氘’混合气体来获得的,但目前实现这种分离的技术能耗大、效率低、价格昂贵。
由英国皇家学会会士、利物浦大学教授安德鲁·库珀带领的中英联合团队设计出一种新材料,它能通过一种被称为“动态量子筛分”的过程,将氘气体从混合气体中有效地分离出来。
丁理峰和他的博士研究生为分离过程的理论建模作出了重要贡献。与一般实验化学需要瓶瓶罐罐的试剂不同,计算化学主要依靠高性能超级计算机,通过计算机模型来研究分子层面的“氢—氘”分离过程,找出这种材料具备优秀性能的原因。
“这是一种混合多孔有机笼状材料,它能从混合气体中选择氘分子并大量吸附,是一种经济高效的解决方案”。分子模型有助于确定后续实验方向,从而开发出更好的分离材料。
可控核聚变实现和平利用后,将使人类彻底摆脱对石油等污染性化石燃料的依赖,进入可与阳光试比高的光明无限的境界。除了用作可控核聚变的燃料,氘还被广泛运用于其他科学研究中,包括非放射性同位素追踪、中子散射技术以及制药等领域。科技创新确实是人类永续存在的坦途。