在工程师建造反应堆以通过聚变发电之前，他们必须让反应堆的壁能够承受反应产生的热量和高能粒子。这是一个地狱般的环境，需要非常特殊的材料。

“这是一个非常重要、非常困难的问题，”普林斯顿化学和生物工程教授布鲁斯·科尔说。

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Koel在普林斯顿大学和普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)进行研究，他花了数十年时间研究材料表面。最近，他一直在研究聚变能所需的材料科学。去年，他要求他的一名本科生叶梅根(MeaganYeh)研究一种新方法，她将这项工作作为她毕业论文项目的一部分。

该方法涉及使用一种特殊类型的金属钨。Yeh主修化学和生物工程，去年夏天在PPPL工作，PPPL是普林斯顿大学运营的美国能源部实验室，与Koel和实验室等离子体科学与技术项目主任SamuelCohen一起工作。

Koel和一位同事提议的研究需要改造实验室仪器，用等离子束轰击钨样品，然后分析结果。纽约州立大学石溪分校材料科学与工程助理教授JasonTrelewicz提供了用于研究的一角硬币大小的“纳米颗粒”钨样品。

来自芝加哥的Yeh说她立即感兴趣。该材料是一种稀有的钨配方，具有良好的性能。她说，这个提议“令人兴奋”。“这很有挑战性。这令人生畏。”

Koel让Yeh与博士后研究员LuxhertaBuzi一起参与该项目。Buzi在德国Jülich研究中心攻读博士学位期间积累了钨方面的专业知识。

“该项目悬而未决，我们认为这对Meagan来说是理想的选择，”Buzi说，并补充说Yeh的贡献将使项目向前推进的速度比没有她的情况下研究团队的进展速度要快得多。

在核聚变中，当两个轻原子(例如氢同位素)聚变形成一个稍重的原子(例如氦)时，会释放出巨大的能量。聚变可能比核裂变更安全、更可持续，核裂变如今用于核能，涉及将铀等重原子分裂成更轻但具有高放射性的原子。一种被提议的建造聚变工厂的方法涉及在被限制在磁场中的过热等离子体中的聚变反应。等离子体是一种电离气体，这意味着它由带正电的离子和带负电的电子组成。

在能够建立商业聚变工厂之前，工程师必须克服许多挑战。首先，他们必须创建反应堆的一部分，以承受反应产生的高温和粒子轰击。为了制造这个称为偏滤器的部分，工程师必须开发一种足够坚韧的材料来承受惩罚。

用于剃须刀刀片和高性能涡轮机的钨似乎是用于面向等离子体的偏滤器部件的有前途的候选材料。钨极其坚硬和致密，是所有元素中熔点最高的。该材料的性能必须近乎完美;即使进入等离子体的微量腐蚀材料也会阻碍内部发生的聚变。

“一个解决方案是用非常难熔且坚固的材料制造偏滤器——用钨制造它，”Koel说。“但是钨有几个问题。”

一个重大问题涉及粒子——氢同位素和氦——它们来自聚变反应。科学家通过将等离子体限制在强磁场中然后将其加热至高温来产生这些反应。这些场能有效地保持等离子体，但许多粒子会逸出，撞击反应器的壁并被困在材料内部。对于偏滤器来说尤其如此。

“它们会产生裂缝和水泡，”叶说。最终，钨失效了。

研究人员想知道他们的特殊钨样品是否可以提供解决方案。所有的钨都是由微小的晶体组成的，这些晶体之间的边界被称为晶界。在纳米颗粒钨中，晶体比标准多晶材料小得多，因此有更多的晶界。研究人员认为，这些边界可以为粒子在积聚并对钨造成进一步损害之前逃逸创造一条途径。为了测试这一点，他们计划在不同的表面温度下用氘和氦等离子体照射钨，模拟聚变反应堆中的条件，看看纳米颗粒是否有助于减轻被困粒子的影响。

Buzi建议团队在加州大学圣地亚哥分校进行实验，她曾在那里攻读博士学位。他们的线性等离子设备称为PISCES-A，如果可用的话，将提供特别准确的模拟。

Buzi给她的一位前同事RussDoerner打了电话。“他告诉我，他们有几个星期的时间，然后才真正忙于召开会议，”Buzi说。“幸运的是，那是普林斯顿大学的寒假。”

“纳米晶钨和钨钛合金材料的氘和氦离子辐照;普林斯顿大学;MeaganYeh，2018年”

带着一种成就感，小叶拍下了这张装订好的毕业论文照片，发给了朋友们。

Doerner说他们可以在设备上使用两周。工作双班制，他们能够在一周内完成。快速的工作为研究人员提供了进行更多测试的机会。接下来的一周，他们在真空室中将样品加热到1000摄氏度，并测量了钨中氘和氦的含量。

“非常成功，机器运行良好，一切都按计划进行，”Buzi说。

这对搭档还有一项艰巨的工作要做：回到普林斯顿后，他们需要分析样本，样本的规模太小，无法用传统显微镜观察。普林斯顿材料科学技术研究所(PRISM)是他们的下一站。

“没有多少地方可以找到他们在PRISM拥有的设备类型或专家，”​​Yeh说。

高级研究员Yao-WenYeh帮助准备了样品，其中一些样品被切成不到100纳米厚(比一张纸薄一千倍)。然后，MeaganYeh使用扫描电子显微镜检查样品是否有损坏，而Yao-WenYeh使用透射电子显微镜进行检查。

研究人员对结果感到满意。Koel表示，他预计他们最终会发表期刊文章，其中MeaganYeh将成为合著者。

“它们是聚变应用的重要结果，”他说。“他们为更多的研究打开了大门。”

毕业后计划在卡夫亨氏从事研发工作的Yeh说，这篇论文是她在普林斯顿度过的难忘时光。

“完成后，我拍了一张封面照片发给了我的朋友，”她说。