美國國傢實驗室75項突破性研究 | 他山之石

不得不承認,吸收瞭全世界大量頂級科技工作者的美國仍是目前人類先進科技的最大貢獻者。這些尖端科技成果大多出自於美國的研究型大學、商業科技公司、國傢實驗室或者各組織之間合作。不久之前,美國能源部發佈瞭其監管下的17個美國國傢實驗室自建立以來取得的75項重大突破性研究成果(截至2017年)。今天,小編就帶領大傢一睹為快,看看這些75項重大突破有哪些,以及有哪些又和我們的生活和研究息息相關呢?(提前劇透,涉及到材料的研究高達19個!)

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1. 超級計算機

國傢實驗室擁有一些最重要的高性能計算資源,包括世界上500臺最快的超級計算機中的32臺。這些系統以每秒千萬億次的運算速度對復雜的動態系統進行建模和模擬(例如核威懾,這種系統過於昂貴、不切實際或不可能進行實物演示)。超級計算機正在改變科學傢探索宇宙演化、氣候變化、生物系統、天氣預報甚至可再生能源的方式。

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2. DNA數據庫建立

1990年,美國國傢實驗室與美國國立衛生研究院(NationalInstitutes of Health)等實驗室聯手啟動瞭人類基因組計劃(Human Genome Project),這是一項國際合作項目,旨在識別和繪制人類基因組的所有基因。

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3.構建互聯網

尋求共享粒子物理信息的國傢實驗室科學傢,首先在北美安裝瞭一個網絡服務器,開啟瞭我們所知的全球網絡的發展。

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4.天眼的建立

Vela衛星於1963年首次發射,用於探測潛在的核爆炸,它改變瞭美國剛剛起步的太空計劃。這些衛星包括由國傢實驗室設計和制造的光學傳感器和數據處理、邏輯和電源子系統。

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5. 核醫學的建立

國傢實驗室的研究人員開發瞭核醫學領域,生產瞭用於診斷和治療疾病的放射性同位素,設計瞭用於檢測癌癥的成像技術,同時開發瞭針對腫瘤的軟件。

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6. 為NASA飛行器提供能源

美國國傢實驗室為放射性同位素熱電發電機建造瞭外殼,這些發電機為卡西尼號等飛船提供燃料,並已開始為NASA未來的任務生產钚238。

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7. 核能的開發和應用

國傢實驗室的科學傢和工程師在開發安全、高效和無排放的核能方面走在瞭世界的前列。從第一個核反應堆發電開始,國傢實驗室一直是和平利用核能的創新引擎。今天的實驗室正在支持新一代的核能,這些核能將為國傢和世界所用。

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8. 水凈化

從飲用水中去除砷是全球的優先事項。國傢實驗室設計的一種長效粒子現在可以做到這一點,使受污染的水可以安全飲用。另一項由國傢實驗室開發的技術是利用紫外線殺死水中引起痢疾的細菌,從而降低發展中國傢兒童的死亡率。

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9. 完善蛋白質數據庫

在蛋白質數據庫中,國傢實驗室的X-射線設備提供瞭超過10萬個蛋白質結構的很大一部分。蛋白質的結構揭示瞭它的功能,幫助科學傢瞭解生物如何工作和開發疾病的治療方法。幾乎所有進入市場的新藥都是從這些數據庫結構開始的。

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10. 高強度金屬材料

國傢實驗室提供的理論、工具和技術為工業提供瞭革命性的材料,如強度高、重量輕的金屬和合金,節省瞭燃料和維護成本,使發動機更清潔、更高效。

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11. 發現信使RNA

國傢實驗室的科學傢們發現瞭基因指令是如何被傳送到細胞蛋白質制造中心的,所有生命的過程都是從這裡開始的。隨後對被稱為信使RNA的基因信使的光源研究揭示瞭信息是如何轉錄的,以及錯誤是如何導致癌癥和先天缺陷的。

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12. 繪制瞭宇宙和月球的背面

國傢實驗室的科學傢們繪制出瞭3D天空地圖和4億個天體,他們還開發出瞭一種可以捕捉整個月球背面的相機。

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13. 闡明光合作用

國傢實驗室的科學傢通過光合作用確定瞭碳的路徑,如今可以使用X-射線激光技術來揭示這個過程中的每一步是如何被一個單一的光粒子觸發的。這項工作幫助科學傢探索從太陽獲取可持續能源的新方法。

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14. 分析歷史作品

由中世紀的僧侶改寫的古代數學傢阿基米德的著作已近遺失(模糊)瞭數千年,多虧瞭國傢實驗室的X射線視力和光源技術,這些作品才得以向現代人的眼睛展示。這些研究還揭示瞭名畫、古希臘花瓶和其他無價的文化藝術品的秘密。

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15.革命性加速器的建立

一個國傢實驗室建立並運行瞭第一個基於超導射頻技術的大型加速器。現在,這種更高效的技術為研究機器提供瞭動力,用於探索物質的核心,研究材料的特性,並提供有關生命構建模塊的獨特信息。

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16. 揭示瞭物質的秘密

質子和中子曾經被認為是不可分割的。國傢實驗室的科學傢發現,質子和中子是由更小的部分組成的,稱為誇克。隨著時間的推移,實驗人員發現瞭六種誇克、三種中微子和希格斯粒子,改變瞭我們對物質世界運作方式的看法。

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17. 證實宇宙大爆炸並發現暗能量

NASA衛星上的國傢實驗室探測器揭示瞭宇宙大爆炸的回聲中星系的誕生。國傢實驗室的宇宙學傢也發現瞭暗能量。暗能量是一種神秘的物質,占宇宙的四分之三,並使其加速膨脹。

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18. 發現22個化學元素

如果沒有國傢元素周期表會更小。國傢實驗室迄今為止已經發現:锝,钷,砹,镎,钚,镅,銫,锫,锎,锿,鐨,鍆,鐒,钅盧,钅杜,钅喜,钅夫,鏌,鉝,鈿和氣奧。

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19.開發新型制冷劑

美國國傢實驗室的科學傢們表示,下一代冰箱很可能將不再使用有害的化學冷卻劑,而是使用一種對環境友好的合金。

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20.無鉛合金

得益於一傢國傢實驗室開發的錫銀銅無鉛合金,從環境中去除有害的鉛焊料成為瞭現實。這種無鉛焊料已獲得全球60多傢公司的許可。

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21.吸收原油的海綿

國傢實驗室的科學傢利用納米技術發明瞭一種新型海綿,它可以從水中吸收自身重量90倍的油。它可以收集石油並重復使用數百次,它可以收集沉入海底的石油,這是以前的技術無法做到的。

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22. 將沖床引入增材制造

國傢實驗室首創的高壓氣體霧化處理技術使增材制造和粉末冶金中使用的鈦和其他金屬鈦合金粉末的生產成為可能。

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23. 開發廉價催化劑

低成本催化劑是高效生物質精煉的關鍵。國傢實驗室的科學傢創造瞭廉價和穩定的生物質轉化催化劑。

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24. 高科技塗層來減少摩擦

國傢實驗室科學傢創建在設備和構件表面添加如金剛石膜的塗層方法來減少機器的磨損,這種方法可以提高發動機的壽命並且減少潤滑油的用量。

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25. 給伏特充電

國傢實驗室開發瞭可以給雪佛蘭伏特充電的先進陰極技術。

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26. 用水泥粘合新材料

國傢實驗室的科學傢們已經開發出一種新型的多功能材料,它將陶瓷和混凝土的特性混合在一起,形成一種無孔產品,可以做任何事情,從密封油套管到額外防火隔離墻。

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27.高效輸電系統

由超導體制成的新型電力線可以輸送電流而不損耗電能。這些原型機現在由國傢實驗室的科學傢部署,可能會開啟一個超高效電力傳輸的新時代。

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28. 早期宇宙的誇克湯

國傢實驗室的科學傢們使用粒子對撞機來重現宇宙大爆炸後不久仍然存在的原始物質。研究還在擴大科學傢對極端溫度和密度下物質的理解。

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29. 磁懸浮列車

國傢實驗室的科學傢們開發瞭一項技術,利用磁鐵的吸引力和排斥力使火車懸浮和推進。磁懸浮列車現在在日本和中國運送乘客,很快將在其他國傢投入使用。

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30. 開發高效燃燒器

國傢實驗室的研究人員開發出瞭更清潔的燃油燃燒器,為消費者節省瞭250多億美元的燃料成本,並減少瞭160多兆噸的二氧化碳排放。

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31. 改善汽車鋼

一傢擁有國傢實驗室背景的公司正在開發一種比普通鋼輕得多的金屬,這種金屬保留瞭鋼的強度和延展性,可以在無需對汽車制造基礎設施進行重大改動的情況下進行制造。

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32. 探測武器內部

國傢實驗室的研究人員發明瞭一種設備,可以識別可疑化學和爆炸性彈藥和容器的內容,同時最大限度地減少對相關人員的風險。該技術可以快速識別武器的化學成分,已被用於核實世界各地的條約。

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33. 建立核安全模型

國傢實驗室的科學傢開始開發反應堆漂移和泄漏分析程序(RELAP)來模擬核反應堆冷卻劑和堆芯的行為。今天,RELAP已在世界各地使用,並已獲得核應用和非核應用的許可,包括噴氣飛機發動機和化石燃料發電廠組件的建模。

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34. 識別膽固醇

20世紀60年代,當國傢實驗室的研究揭示瞭膽固醇的好處和壞處時,對抗心臟病的鬥爭得到瞭推進。如今,檢測這兩種膽固醇的診斷測試可以挽救生命。

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35. 恐龍滅絕原因調查

國傢實驗室的科學傢在1980年發現小行星與地球的碰撞是恐龍突然滅絕的主要原因。

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36. 無二氧化碳排放的冷卻材料

國傢實驗室的研究人員和政策專傢率先分析和實施瞭屋頂冷卻材料,這種材料可以反射陽光,降低表面溫度,降低冷卻成本。

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37.生物基燃料

美國國傢實驗室的科學傢們幫助開發瞭一種微生物,這種微生物可以直接從生物質能中生產燃料。

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38. 儲氫納米材料

為瞭取代汽油,氫必須安全儲存並易於使用,而這一點已被證明是難以實現的。國傢實驗室研究人員現在已經設計出一種新的柔韌材料,這種材料使用納米顆粒,可以快速吸收和釋放氫氣而不產生不良影響,這是使燃料電池汽車成為商業現實的重要一步。

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39. 氡氣的監控和危險評估

國傢實驗室對部分地區氡氣造成的健康風險進行瞭量化研究。隨後的EPA標準,加上一個國傢實驗室研究小組率先采取的氡檢測和緩解措施,防止瞭自然產生的氡氣滲入地下室,每年挽救瞭成千上萬人的生命。

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40. 微型采樣器

一種能夠識別空氣、水和土壤樣本中的微生物的工具,正迅速成為公共衛生、醫療和環境清理項目的主力。這款信用卡大小的設備由美國國傢實驗室的科學傢們研發,它可以精確定位導致珊瑚礁死亡的疾病,並對美國城市上空的空氣細菌進行分類。它還被用來迅速分類深水地平線漏油事故的油柱中的噬油細菌。

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41. 納米機器

世界上最小的合成馬達——以及比人類頭發還要細10萬倍的收音機、天平和開關——都是在一個國傢實驗室設計的。這些以及其他對納米技術的探索可能會導致拯救生命的藥物和更強大的計算機。

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42. 修復聲音

國傢實驗室的科學傢們設計瞭一種高科技的方法來數字化重建那些太脆弱而不能播放的老化的錄音,比如愛迪生19世紀末的蠟瓶。檔案學傢估計,包括美國國會圖書館在內的世界聲音檔案中的數百萬份錄音可能會受益於這項技術。

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43. 透視炸藥

國傢實驗室技術人員開發瞭一種信用卡大小的探測器,它可以在短短幾分鐘內篩查出30多種爆炸物。這種被稱為“精英”的探測器不需要警察,廣泛應用於軍隊、執法部門和安全部門。

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44. 強化飛機

國傢實驗室和工業技術通過激光脈沖對金屬進行轟擊來強化金屬,這為飛機工業節省瞭發動機和飛機維護費用上億美元。

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45. 仿真模擬

國傢實驗室研究人員開發瞭DYNA 3D計算機模擬軟件,它可以使如火車、飛機和汽車這些物體和器件變得更安全、更堅固以及設計得更好。

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46. 發現中微子

國傢實驗室的研究人員對中微子物理學和天體物理學做出瞭許多貢獻,如弗雷德·萊因斯和克萊德於1956年因為中微子的發現獲得諾貝爾物理學獎。

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47. 發現伽馬射線暴

1973年,美國國傢實驗室研發的傳感器被安裝在Vela衛星上,用於發現伽馬射線暴(grb)。grb是來自遙遠星系的高能爆炸。科學傢們認為,這些爆發大多是由快速旋轉的大質量恒星坍縮形成中子星、誇克星或黑洞時釋放的窄束強輻射組成的。

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48. 建立超強磁場

2012年3月,國傢實驗室的科學傢們實現瞭100.75特斯拉的磁脈沖,創造瞭一項世界紀錄。這個脈沖比地球磁場強近200萬倍。這個100特斯拉的多丸磁鐵可以反復使用而不被它所產生的磁場力破壞,產生瞭世界上最強大的非破壞性磁場。

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49. 氣凝膠的熱應用

國傢實驗室的研究人員完善瞭氣凝膠,即冷凍煙。他們是有史以來最輕的固體,並有最高的耐熱性的任何材料測試。它們還具有防火性能,非常強壯,能夠承受自身重量一千倍以上的重量。由於其耐熱性,氣凝膠在建築、車輛、過濾器和傢用電器的絕緣方面具有突出的應用前景。

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50. 發明細胞分選儀

在20世紀60年代,一位國傢實驗室物理學傢發明瞭一種“細胞分選儀”——一種工作原理很像噴墨打印機的新型設備,它可以引導含有細胞的微小液滴流動,從而使感興趣的細胞發生偏轉,以便進行計數和研究。細胞分選儀是研究包括癌癥和艾滋病在內的許多疾病背後的生物化學的重要工具。

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51. 引領國內能源復興

美國國傢實驗室的研究為低成本開采的關鍵技術和方法指明瞭方向,從而開啟瞭頁巖氣革命。據估計,從1976年到1992年,在非常規天然氣研究和開發方面的研究和開發支出為2.2億美元,僅頁巖氣一項每年的經濟活動就為1000億美元。

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52. 太空探索

國傢實驗室發明瞭激光誘導擊穿光譜學(LIBS),這是使“好奇號”探測車能夠分析火星物質的主要設備。實驗室研究人員還發現瞭制造航天器用高效太陽能電池的合適材料組合。

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53. 減少廢氣排放

國傢實驗室的科學傢們介紹瞭大約20種創新技術——如低氮氧化物(NOx)燃燒器、煙氣脫硫(洗滌器)和流化床燃燒——通過潔凈煤實現技術開發項目已深入市場,基本控制瞭有害發電廠的排放,並使能源生產和空氣質量受益。

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54. 風力發電的大規模應用

在過去的30年裡,隨著高效翼型風力渦輪機效率的提高,風力發電的成本降低瞭80%以上。現在,這些渦輪機已經部署在全國各地的風力發電場中,它們的存在要歸功於國傢實驗室的研究。

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55. 設計智能窗戶

國傢實驗室的科學傢們已經創造出瞭高度絕緣的窗戶,可以改變顏色來調節室內溫度和照明。如果廣泛安裝,它們可以節省全國總能源預算的5%。

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56. 部隊後勤保障

國傢實驗室的研究人員已經開發出計算機模型,可以有效地管理向遙遠的目的地部署軍隊和裝備的復雜後勤任務。

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57. 集成電路

集成電路的成功歸功於一項國傢實驗室的發現,該發現揭示瞭如何通過註入帶電原子(稱為離子)來改變一種材料。離子通道現在是工業和科學的標準做法。

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58. 又大又快的3D打印

由國傢實驗室和商業公司聯合開發的大型增材制造平臺,打印出的3D組件比之前的流程大10倍,快200倍。到目前為止,該系統已經生產出瞭3d打印的跑車、SUV、房屋、挖掘機和航空零部件。

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59. 純化疫苗

國傢實驗室的研究人員采用核分離技術,開發瞭用於純化疫苗的帶狀離心分離機,可減少或消除不必要的副作用。基於這項發明的商用離心機可以為數百萬人生產疫苗。

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60. 節能建築

一個國傢實驗室建造瞭世界上最節能的辦公樓之一。該設施作為實驗室現場的活實驗室運行,使用的能源比商業法規要求的低50%,並且隻消耗由建築物上或附近的可再生能源產生的能源。

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61. 航空安全

恐怖分子的武器、炸藥、塑料裝置和其他隱蔽工具更容易被發現,這要歸功於一個國傢實驗室開發的技術,該技術現已安裝在世界各地的機場。

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62. 彈性電網

一個國傢實驗室創造瞭一種先進的電池,它可以儲存來自間歇性可再生能源的大量能量(比如風能和太陽能)向電網供電,同時也緩解瞭電網暫時中斷的影響。有幾傢公司已經批準瞭這項技術,並將其作為商業產品提供。

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63. 解決柴油困境

一項關於催化劑行為的國傢實驗室研究為一種新型“稀燃”柴油發動機鋪平瞭道路,這種發動機符合排放標準,燃油效率比傳統發動機提高瞭25%。

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64. 從空氣中獲取能量

這是一種微型設備,在國傢實驗室取得重大突破後,由私營企業商業化生產。它可以通過微小的溫度變化,在大壩、橋梁和管道等偏遠地點為無線傳感器或無線電頻率發射機供電,從而產生足夠的電力。

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65. 優化電網

控制傢用電器的能源使用——尤其是在高峰時段——可以降低能源需求,避免停電。一個國傢實驗室的傢用電器控制裝置感應到電網的壓力,並立即作出反應,關閉機器,減少最終使用需求,使系統保持平衡,從而保持電力供應。

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66. 數字儲存技術

音樂、視頻和數據存儲背後的光學數字錄音技術起源於國傢實驗室近40年前的研究。

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67. 核廢料處理

為瞭使冷戰時期的核廢料處理更加安全,國傢實驗室的科學傢們開發並部署瞭一種工藝,將其鎖在玻璃中,防止其滲入環境。

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68. 清理炭疽

科學傢們在國傢實驗室開發瞭一種無毒泡沫,可以中和化學和生物藥劑。2001年,這種泡沫被用來清理國會辦公大樓和郵件室,它們都暴露在炭疽熱中。

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69. 從福島海水中去除輻射

2011年,在一場海嘯破壞瞭福島第一核電站(FukushimaDaiichi)之後,大量海水冷卻瞭反應堆。一個由國傢實驗室科學傢設計的分子篩被用來從數千萬加侖的海水中提取放射性銫。

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70. 快速檢測埃博拉病毒

2014年,來自全國的研究人員在國傢實驗室模擬瞭利比裡亞血液樣本傳輸系統,並提出瞭快速診斷患者的建議。這減少瞭檢測等待時間,大幅度減少瞭埃博拉病毒的傳播。

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71. 為核武器設置安全鎖

1960年,國傢實驗室的科學傢們為美國所有的核武器發明瞭編碼的機電鎖。該開關阻止解除保險信號,直到它收到正確的總統授權代碼。

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72. 開啟LED照明革命

上世紀90年代,國傢實驗室的科學傢們看到瞭節能固態照明的需求,並與業界合作開發瞭白色LED。今天,白色LED的效率大約是30%,最高可以達到70%到80%的效率。熒光燈的效率約為20%,而白熾燈的效率僅為5%。

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73.人工光合作用

國傢實驗室的科學傢們設計並合成瞭多層半導體結構的設備,這些設備可以直接將陽光轉化為氫氣中的化學能,並以更高的效率分解水(超過15%)。這種將太陽光直接轉化為燃料的方法為太陽能在電網之外的應用鋪平瞭道路。

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74. 先進融合技術

從第一個融合試驗反應堆短暫兆瓦的發電規模,和世界上最大的和最精力充沛的激光模擬大爆炸創造極端條件,內部的行星和恒星和熱武器,國際實驗從燃燒等離子體生成工業水平的聚變能,融合科學與應用程序推進,因為國傢實驗室。

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75. 分子電影

國傢實驗室的科學傢們已經用超快X-射線捕捉到瞭第一部分子電影的千萬億分之一秒的畫面。這些電影詳述瞭分子在進行化學反應時的復雜結構。

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美國能源部監管的17個國傢實驗室名單

國傢能源技術實驗室、勞倫斯伯克利國傢實驗室、太平洋西北國傢實驗室、洛斯阿拉莫斯國傢實驗室、橡樹嶺國傢實驗室、阿貢國傢實驗室、埃姆斯國傢實驗室、佈魯克海文國傢實驗室、桑迪亞國傢實驗室、愛達荷國傢實驗室、普林斯頓等離子體物理實驗室、勞倫斯利弗莫爾國傢實驗室、薩梵納河國傢實驗室、SLAC國傢加速器實驗室、費米國傢加速器實驗室、國傢可再生能源實驗室、托馬斯傑斐遜國傢加速器實驗室。

17個國傢實驗室標志

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17個國傢實驗室地理位置分佈

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