Workshop zkoumá nové pokročilé materiály pro rostoucí svět

Je zřejmé, že lidstvo potřebuje stále více zdrojů, od výpočetního výkonu až po ocel a beton, aby uspokojilo rostoucí poptávku spojenou s datovými centry, infrastrukturou a dalšími pilíři společnosti. Nové, nákladově efektivní přístupy k výrobě pokročilých materiálů, které jsou klíčové pro tento růst, byly středem dvoudenního workshopu na MIT 11. a 12. března.

Hlavním tématem akce byl význam spolupráce mezi univerzitami a průmyslem a uvnitř nich. Cílem je „vyvinout koncepty, které může každý společně používat, místo aby každý dělal něco jiného a pak se to draze řešilo později,“ řekl Lionel Kimerling, profesor materiálových věd a inženýrství na MIT.

Workshop uspořádala Laboratoř materiálového výzkumu MIT (MRL), která má průmyslový kolegium, a Program průmyslové spolupráce MIT.

Program zahrnoval projev Javiera Sanfelixe, vedoucího týmu pro pokročilé materiály Evropské unie. Sanfelix poskytl přehled strategie EU pro rozvoj pokročilých materiálů, které, jak řekl, jsou „klíčovými hybateli zelené a digitální transformace evropského průmyslu“.

Tato strategie již vedla k několika iniciativám. Patří mezi ně společné materiály, neboli sdílená digitální infrastruktura pro návrh a vývoj pokročilých materiálů, a akademie pro pokročilé materiály pro vzdělávání nových inovátorů a návrhářů. Sanfelix také popsal zákon o pokročilých materiálech na rok 2026, jehož cílem je zavést legislativní rámec, který podporuje celý inovační cyklus.

Sanfelix navštívil MIT, aby se dozvěděl více o tom, jak institut přistupuje k budoucnosti pokročilých materiálů. „Považujeme MIT za světového lídra v technologii, zejména v oblasti materiálů, a je mnoho co se naučit o [vašich] průmyslových spoluprací a transferu technologií do průmyslu,“ řekl.

Inovace v oceli a betonu

Workshop začal rozhovory o inovacích zahrnujících dva z nejběžnějších člověkem vyrobených materiálů na světě: ocel a cement. Budeme potřebovat více obojího, ale musíme se vypořádat s obrovským množstvím energie potřebné k jejich výrobě a jejich dopadem na životní prostředí kvůli emisím skleníkových plynů během této výroby.

Jedním ze způsobů, jak řešit naši potřebu více oceli, je znovu použít to, co máme, řekl C. Cem Tasan, profesor metalurgie na katedře materiálových věd a inženýrství (DMSE) a ředitel Laboratoře materiálového výzkumu.

Většina stávajících přístupů k recyklaci ocelového šrotu však zahrnuje tavení kovu. „A kdykoli se zabýváte taveným kovem, vše stoupá, od spotřeby energie po emise oxidu uhličitého. Život je těžší,“ řekl Tasan.

Otázka, kterou si on a jeho tým položili, je, zda by mohli znovu použít ocelový šrot bez jeho tavení. Mohli by konsolidovat pevné zbytky a poté je srolovat dohromady pomocí stávajícího vybavení, aby vytvořili novou plech? Z hlediska materiálových věd by to podle Tasana nemělo fungovat z několika důvodů.

Ale funguje to. „Již jsme prokázali potenciál ve dvou článcích a dvou patentových přihláškách,“ řekl. Tasan poznamenal, že přístup se zaměřuje na vysoce kvalitní výrobní šrot. „Tohle není šrot z vrakoviště,“ řekl.

Tasan dále vysvětlil, jak a proč nový proces funguje z hlediska materiálových věd, a poté uvedl příklady toho, jak by se recyklovaná ocel mohla používat. „Můj oblíbený příklad jsou nerezové ocelové pracovní desky v restauracích. Opravdu tam potřebujete mechanické vlastnosti nerezové oceli?“ Mohli byste místo toho použít recyklovanou ocel.

Hessam Azarijafari se zabýval dalším běžným, nezbytným materiálem: betonem. Letošní rok je 16. výročím založení Centra pro udržitelný beton MIT (CSHub), které vzniklo, když se skupina průmyslových lídrů a politiků obrátila na MIT, aby se dozvěděla více o výhodách a dopadech betonu na životní prostředí.

Práce centra se nyní soustředí na tři hlavní témata: práce na dosažení uhlíkově neutrálního betonového průmyslu; rozvoj udržitelné infrastruktury zaměřené na vozovky; a jak učinit naše města odolnějšími vůči přírodním hrozbám prostřednictvím investic do silnější, chladnější konstrukce.

Azarijafari, zástupce ředitele CSHub, dále uvedl několik příkladů výsledků výzkumu, které vzešly z CSHub. Patří mezi ně mnoho modelů pro identifikaci různých cest k dekarbonizaci cementu a betonového sektoru. Další práce zahrnuje vozovky, o kterých si veřejnost myslí, že jsou inertní, řekl Azarijafari. „Ale my jsme [vytvořili] špičkový model, který může posoudit interakce mezi vozovkou a vozidly.“ Ukázalo se, že vlastnosti povrchu vozovky a její konstrukční vlastnosti „mohou ovlivnit nadměrnou spotřebu paliva vyvoláním dodatečného valivého odporu“.

Azarijafari zdůraznil význam úzké spolupráce s politiky a průmyslem. Tato angažovanost je klíčová „pro sdílení poznatků, které jsme dosud získali“.

Směrem k energeticky efektivnímu průmyslu mikročipů

Zvažte toto: v roce 2020 počet mobilních telefonů, GPS jednotek a dalších zařízení připojených k „cloudu“ nebo velkým datovým centrům překročil 50 miliard. A provoz datových center se zase každých 10 let zvětšuje 1000krát.

Ale všechny tyto výpočty vyžadují energii. A „vše se musí dít při stálých energetických nákladech, protože hrubý domácí produkt se nemění tak rychle,“ řekl Kimerling. Řešením je buď vyrobit mnohem více energie, nebo učinit informační technologie mnohem energeticky účinnějšími. Několik řečníků na workshopu se zaměřilo na materiály a komponenty za tímto druhým.

Klíčem ke všemu, o čem diskutovali: přidání fotoniky, neboli použití světla k přenosu informací, k dobře zavedené elektronice za dnešními mikročipy. „Podstatou je, že integrace fotoniky s elektronikou ve stejném pouzdru je tranzistor 21. století. Pokud na to nepřijdeme, nebudeme schopni se dále rozvíjet,“ řekl Kimerling, který je ředitelem Centra mikrofotoniky MIT.

MIT je dlouhodobým lídrem v integraci fotoniky s elektronikou. Kimerling například popsal Mezinárodní plán pro systémy integrované fotoniky (IPSR-I), globální síť více než 400 průmyslových a výzkumných partnerů, kteří spolupracují na definici a vytváření technologie fotonických integrovaných obvodů. IPSR-I vede Centrum mikrofotoniky MIT a PhotonDelta. Kimerling organizaci založil v roce 1997.

Minulý rok IPSR-I vydal svůj nejnovější plán pro integraci fotoniky a elektroniky, „který ukazuje jasnou cestu vpřed a specifikuje inovativní křivku učení pro škálování výkonu a aplikací na příštích 15 let,“ řekl Kimerling.

Dalším hlavním programem MIT zaměřeným na budoucnost mikročipového průmyslu je FUTUR-IC, nová globální aliance pro udržitelnou výrobu mikročipů. FUTUR-IC, zahájený loni, je financován Národním vědeckým fondem.

„Naším cílem je vybudovat hodnotový řetězec pro energeticky efektivní mikročipový průmysl,“ řekla Anuradha Murthy Agarwal, hlavní výzkumná pracovnice v MRL a vedoucí FUTUR-IC. To zahrnuje všechny prvky, které vstupují do výroby budoucích mikročipů, včetně vzdělávání pracovníků a technik pro zmírnění potenciálních dopadů na životní prostředí.

FUTUR-IC se také zaměřuje na elektronicko-fotonickou integraci. „Moje mantra je používat elektroniku pro výpočty a přecházet na fotoniku pro komunikaci, aby se tato energetická krize dostala pod kontrolu,“ řekla Agarwal.

Integrace elektronických čipů s fotonickými čipy však není snadná. V tomto ohledu Agarwal popsala některé z problémů. Například v současné době je obtížné připojit optická vlákna přenášející komunikaci k mikročipu. Je to proto, že zarovnání mezi nimi musí být téměř dokonalé, jinak se světlo rozptýlí. A rozměry jsou miniaturní. Optické vlákno má průměr pouhých miliontin metru. V důsledku toho se dnes každé připojení musí aktivně testovat laserem, aby se zajistilo, že světlo projde.

Agarwal dále popsala nový spojovací prvek mezi vláknem a čipem, který by mohl problém vyřešit a umožnit robotům pasivně sestavovat čipy (laser není potřeba). Práce, kterou provedli výzkumní pracovníci včetně absolventa MIT Drew Wenningera, Agarwala a Kimerlinga, byla patentována a je uvedena ve dvou článcích. Druhý nedávný průlom v této oblasti zahrnující tištěný mikroreflektor popsal Juejun „JJ“ Hu, profesor materiálových věd a inženýrství.

FUTUR-IC také vede vzdělávací úsilí pro školení budoucích pracovníků, stejně jako techniky pro detekci – a potenciálně zničení – perfluoroalkylů (PFAS, nebo „navždy chemikálie“) uvolňovaných během výroby mikročipů. Vzdělávací úsilí FUTUR-IC, včetně virtuální reality a herního učení, popsal Sajan Saini, vzdělávací ředitel FUTUR-IC. Detekce a sanace PFAS byly diskutovány Aristidem Gumyusengem, asistentem profesora na DMSE, a Jesusem Castrem Estebanem, postdoktorandem na katedře chemie.

Mezi další prezentéry na workshopu patřili Antoine Allanore, profesor materiálových věd a inženýrství; Katrin Daehn, postdoktorandka v Allanoreově laboratoři; Xuanhe Zhao, profesor na katedře strojírenství; Richard Otte, generální ředitel společnosti Promex; a Carl Thompson, profesor materiálových věd a inženýrství.