مختبر أميس الوطني

في عام ١٩٤٢، وافق فرانك سبيدينغ، من كلية ولاية آيوا ، وهو خبير في كيمياء العناصر الأرضية النادرة ، على إنشاء وإدارة برنامج بحث وتطوير كيميائي، عُرف لاحقًا باسم مشروع أميس ، لدعم برنامج الفيزياء القائم لمشروع مانهاتن . وكان الهدف منه إنتاج يورانيوم عالي النقاء من خامات اليورانيوم . وقد طوّر هارلي ويلهلم أساليب جديدة لاختزال وصب معدن اليورانيوم، مما أتاح صب سبائك كبيرة من المعدن وخفض تكاليف الإنتاج بما يصل إلى عشرين ضعفًا. وقد تم توفير حوالي ثلث اليورانيوم المستخدم في أول تفاعل نووي مستدام ذاتيًا في جامعة شيكاغو، أو ما يقارب طنين، من خلال هذه الإجراءات، المعروفة الآن باسم عملية أميس . أنتج مشروع أميس أكثر من مليوني رطل (١٠٠٠ طن قصير؛ ٩١٠٠٠٠ كيلوغرام) من اليورانيوم لمشروع مانهاتن حتى تولت الصناعة زمام العملية في عام ١٩٤٥. 

حصل مشروع أميس على جائزة الجيش والبحرية "E" للتميز في الإنتاج في 12 أكتوبر 1945، تقديرًا لعامين ونصف من التميز في الإنتاج الصناعي لليورانيوم المعدني كمادة حربية حيوية. وتُعد جامعة ولاية آيوا المؤسسة التعليمية الوحيدة التي نالت هذه الجائزة تقديرًا لخدماتها المتميزة، وهو تكريم يُمنح عادةً للقطاع الصناعي. ومن الإنجازات الرئيسية الأخرى المتعلقة بالمشروع:

• تطوير عملية لاستخلاص اليورانيوم من المواد الخردة وتحويله إلى سبائك جيدة.
• تطوير عملية التبادل الأيوني لفصل العناصر الأرضية النادرة عن بعضها البعض بكميات بالجرام - وهو أمر غير ممكن باستخدام الطرق الأخرى.
• تطوير عملية إنتاج واسعة النطاق للثوريوم باستخدام طريقة اختزال القنبلة.

تم تأسيس مختبر أميس رسميًا في عام 1947 من قبل لجنة الطاقة الذرية الأمريكية نتيجة لنجاح مشروع أميس.

خلال خمسينيات القرن العشرين، ازداد حجم العمل في مختبر أميس بشكل ملحوظ بفضل سمعة المختبر المتنامية في مجال المعادن الأرضية النادرة. ومع سعي البلاد لاستكشاف استخدامات الطاقة النووية ، انكبّ علماء المختبر على دراسة الوقود النووي والمواد الإنشائية للمفاعلات النووية . وقد أسفرت العمليات التي طُوّرت في مختبر أميس عن إنتاج أنقى المعادن الأرضية النادرة في العالم، مع خفض أسعارها بشكل كبير في الوقت نفسه. وفي معظم الحالات، مثّلت مرافق المختبر نماذج يُحتذى بها في الإنتاج واسع النطاق للمعادن الأرضية النادرة. كما توسّعت جهود الكيمياء التحليلية لمواكبة الحاجة إلى تحليل مواد جديدة.

ومن بين الإنجازات الرئيسية الأخرى التي تحققت في خمسينيات القرن الماضي ما يلي:

• تطوير عمليات فصل الهافنيوم والنيوبيوم والباريوم والسترونتيوم والسيزيوم والروبيديوم .​​​
• اكتشاف نظير جديد ، الفوسفور -33.
• فصل أكاسيد العناصر الأرضية النادرة عالية النقاء بكميات بالكيلوغرام.
• تطوير طريقة لفصل البلوتونيوم ونواتج الانشطار من وقود اليورانيوم المستهلك.
• إنتاج معدن الإيتريوم عالي النقاء بكميات كبيرة، وشحن أكثر من 18000 رطل (8200 كجم) قبل أن تتولى الصناعة هذه العملية. 

خلال ستينيات القرن العشرين، بلغ المختبر ذروة التوظيف مع استمرار علمائه في استكشاف مواد جديدة. وكجزء من هذا الجهد، بنى المختبر مفاعلاً يعمل بالماء الثقيل بقدرة 5 ميغاواط لإجراء دراسات حيود النيوترونات وأبحاث إضافية في فصل النظائر . كما أنشأت لجنة الطاقة الذرية الأمريكية مركز معلومات العناصر الأرضية النادرة في مختبر أميس لتزويد الأوساط العلمية والتقنية بمعلومات حول المعادن الأرضية النادرة ومركباتها.

ومن بين الإنجازات الرئيسية الأخرى التي تحققت في الستينيات:

• تطوير عملية لإنتاج معدن الثوريوم بنقاوة 99.985 بالمائة.
• تطوير عملية لإنتاج معدن الفاناديوم عالي النقاء للتطبيقات النووية .
• اكتشاف نظير جديد ، النحاس -69.
• تم إجراء أول عملية ناجحة لفصل النظائر المتصلة بمفاعل من أجل دراسة النشاط الإشعاعي قصير العمر الناتج عن انشطار اليورانيوم -235.
• نمو أول بلورة كبيرة من الهيليوم الصلب

خلال سبعينيات القرن العشرين، ومع تطور هيئة الطاقة الذرية الأمريكية إلى وزارة الطاقة الأمريكية ، تنوعت الجهود مع إغلاق بعض برامج البحث وبدء برامج جديدة. قام المسؤولون الفيدراليون بتوحيد مرافق المفاعلات، مما أدى إلى إغلاق مفاعل الأبحاث. استجاب مختبر أميس بالتركيز على الرياضيات التطبيقية ، والطاقة الشمسية ، والوقود الأحفوري ، ومكافحة التلوث. طُوّرت تقنيات تحليلية مبتكرة لتوفير معلومات دقيقة من عينات متناهية الصغر. وكان من أبرزها مطيافية الانبعاث الذري للبلازما المقترنة حثيًا ، التي يمكنها الكشف بسرعة وتزامنًا عن ما يصل إلى 40 معدنًا نادرًا مختلفًا من عينة صغيرة.

ومن بين الإنجازات الرئيسية الأخرى التي تحققت في سبعينيات القرن الماضي:

• تطوير تقنية حساسة للغاية للتحليل المباشر للزئبق في الهواء والماء والأسماك والتربة.
• تطوير طريقة لعزل كميات ضئيلة من المركبات العضوية الموجودة في الماء.
• تطوير عملية لإزالة النحاس والقصدير والكروم من خردة السيارات، مما ينتج عنه فولاذ مستصلح نقي بدرجة كافية لإعادة الاستخدام المباشر.
• تطوير شاشة مكثفة للصور تقلل بشكل كبير من التعرض للأشعة السينية الطبية .
• تطوير وحدة تسخين بالطاقة الشمسية قادرة على تخزين ونقل الطاقة الشمسية .

في ثمانينيات القرن الماضي، تطورت الأبحاث في مختبر أميس لتلبية احتياجات الطاقة المحلية والوطنية. ركزت أبحاث الطاقة الأحفورية على إيجاد طرق لحرق الفحم بشكل أنظف. كما طُوّرت تقنيات جديدة لتنظيف مواقع النفايات النووية . وعززت أبحاث الحوسبة عالية الأداء برامج الرياضيات التطبيقية وفيزياء الحالة الصلبة . وأصبح مختبر أميس رائدًا على المستوى الوطني في مجالي الموصلية الفائقة والتقييم غير المتلف . إضافةً إلى ذلك، أنشأت وزارة الطاقة الأمريكية مركز إعداد المواد ^{[ 1 ]} لتوفير إمكانية وصول الجمهور إلى عملية تطوير المواد الجديدة.

ومن بين الإنجازات الرئيسية الأخرى التي تحققت في ثمانينيات القرن الماضي:

• تطوير خلية شمسية ذات وصلة سائلة تتسم بالكفاءة والمتانة وعدم السمية.
• حصلنا على تمويل من وزارة الدفاع لتطوير تقنيات تقييم غير مدمرة للطائرات.
• أصبح المختبر الرئيسي لوزارة الطاقة لإدارة التقييم البيئي لعمليات استعادة الطاقة .
• تطوير طريقة جديدة لخلط النيوديميوم النقي مع الحديد ، مما ينتج عنه المادة الخام لمغناطيس النيوديميوم المستخدم على نطاق واسع .
• ساهم في تطوير مادة تيرفينول ، التي يتغير شكلها في المجال المغناطيسي، مما يجعلها مثالية لتطبيقات السونار والمحولات .

بتشجيع من وزارة الطاقة الأمريكية ، واصل مختبر أميس في تسعينيات القرن الماضي جهوده لنقل نتائج البحوث الأساسية إلى الصناعة لتطوير مواد ومنتجات وعمليات جديدة. وقد أُنشئ مختبر الحوسبة القابلة للتطوير ^{[ 2 ]} لإيجاد سبل لجعل الحوسبة المتوازية متاحة وفعّالة من حيث التكلفة للمجتمع العلمي. واكتشف الباحثون أول مثال غير كربوني لجزيئات بوكي بول ، وهي مادة جديدة مهمة في مجال الإلكترونيات الدقيقة . وطوّر العلماء جهاز تسلسل الحمض النووي أسرع بـ 24 مرة من الأجهزة الأخرى، وتقنية لتقييم طبيعة تلف الحمض النووي الناتج عن الملوثات الكيميائية.

ومن بين الإنجازات الرئيسية الأخرى في التسعينيات ما يلي:

• تطوير تقنية قياس الأداء HINT التي تقارن بشكل موضوعي أجهزة الكمبيوتر من جميع الأحجام، والتي يدعمها الآن موقع HINT التابع لجامعة بريغام يونغ . ^{[ 3 ]}
• تحسين طريقة التذرية الغازية عالية الضغط لتحويل المعدن المنصهر إلى مساحيق معدنية دقيقة الحبيبات.
• التنبؤ بالشكل الهندسي لبنية خزفية ذات فجوة نطاق ضوئي . قد تُحسّن هذه البنى كفاءة الليزر وأجهزة الاستشعار والهوائيات .
• اكتشاف فئة جديدة من المواد التي يمكن أن تجعل التبريد المغناطيسي تقنية تبريد قابلة للتطبيق في المستقبل.
• تطوير لحام عالي القوة وخالٍ من الرصاص يتميز بأنه أقوى وأسهل في الاستخدام ويتحمل بشكل أفضل ظروف الحرارة العالية وآمن بيئياً.
• تطوير طلاءات جديدة من النيكل والألومينيد المعدلة بالبلاتين والتي وفرت استقرارًا غير مسبوق في الأكسدة والطور كطبقات رابطة في الطلاءات العازلة للحرارة ، مما قد يحسن من متانة محركات التوربينات الغازية، مما يسمح لها بالعمل في درجات حرارة أعلى وإطالة عمرها.
• اكتشاف المركبات المعدنية التي تتميز بالليونة في درجة حرارة الغرفة، والتي يمكن استخدامها لإنتاج مواد عملية بدءًا من الطلاءات المقاومة للتآكل والقوية في درجات الحرارة العالية وصولاً إلى الأسلاك فائقة التوصيل المرنة والمغناطيسات القوية.
• أسفرت الأبحاث المتعلقة بالفيزياء الضوئية للأغشية العضوية الرقيقة المضيئة والثنائيات العضوية الباعثة للضوء عن جهاز استشعار أكسجين متكامل جديد وشركة جديدة لأجهزة الاستشعار.
• تطوير تقنية أجهزة الاستشعار الحيوية التي تساعد في تحديد خطر إصابة الفرد بالسرطان نتيجة الملوثات الكيميائية.
• تطوير وحدة فصل كهربائي شعيري قادرة على تحليل عينات كيميائية متعددة في وقت واحد. لهذه الوحدة تطبيقات في مجالات الصيدلة وعلم الوراثة والطب والطب الشرعي.
• تصميم وتجربة بلورات فجوة النطاق الضوئي، وهي عبارة عن ترتيب هندسي لمواد عازلة تسمح بمرور الضوء إلا عندما يقع التردد ضمن نطاق محظور. ستسهل هذه المواد تطوير العديد من الأجهزة العملية، بما في ذلك الليزر الضوئي، والحواسيب الضوئية، والخلايا الشمسية.

• يجري تطوير عملية ميكانيكية كيميائية تُعدّ طريقةً خاليةً من المذيبات لإنتاج المركبات العضوية في الحالة الصلبة. وتُستخدم هذه العملية لدراسة مواد هيدريدية جديدة ومعقدة، قد تُوفّر حلاً لتخزين الهيدروجين الآمن عالي السعة، وهو أمرٌ ضروري لجعل المركبات التي تعمل بالهيدروجين قابلةً للتطبيق.
• تطوير تكنولوجيا محركات القيادة الكهربائية المتقدمة من خلال تصميم سبيكة مغناطيسية دائمة عالية الأداء تعمل بقوة مغناطيسية جيدة عند 200 درجة مئوية، أو 392 درجة فهرنهايت، للمساعدة في جعل محركات القيادة الكهربائية أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
• محاكاة البكتيريا لتصنيع جزيئات نانوية مغناطيسية يمكن استخدامها لاستهداف الأدوية وتوصيلها، في الأحبار المغناطيسية وأجهزة الذاكرة عالية الكثافة، أو كأختام مغناطيسية في المحركات.
• من خلال الجمع بين التغويز والمحفزات المسامية النانوية عالية التقنية، يأملون في إنتاج الإيثانول من مجموعة واسعة من الكتلة الحيوية، بما في ذلك حبوب التقطير المتبقية من إنتاج الإيثانول، وسيقان الذرة من الحقل، والعشب، ولب الخشب، ومخلفات الحيوانات، والقمامة.
• اكتشاف سبيكة سيراميكية من البورون والألومنيوم والمغنيسيوم تتميز بصلابة استثنائية. يمكن أن يؤدي طلاء الشفرات بهذه السبيكة إلى تقليل الاحتكاك وزيادة مقاومة التآكل، مما قد يكون له تأثير كبير في تعزيز كفاءة المضخات المستخدمة في مختلف التطبيقات الصناعية والتجارية.
• أُطلقت موادٌ من إنتاج مركز تحضير المواد التابع لمختبر أميس إلى الفضاء الخارجي كجزء من مهمة بلانك التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية . وقد استُخدمت سبيكة اللانثانوم والنيكل والقصدير، التي أنتجها المركز، في أنظمة التبريد الفائق لبلانك لتبريد الأجهزة خلال المهمة الفضائية.
• تطوير برنامج osgBullet، وهو حزمة برمجية تُنشئ محاكاة حاسوبية ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي، مما يُساعد المهندسين على تصميم أنظمة معقدة تتراوح من محطات توليد الطاقة من الجيل التالي إلى السيارات عالية الكفاءة. وقد فاز برنامج osgBullet بجائزة R&D 100 لعام 2010.
• يمكن ملاحظة الأبحاث التي تؤكد الانكسار السلبي في البلورات الضوئية في منطقة الموجات الدقيقة من الطيف الكهرومغناطيسي، مما يقرب الفيزيائيين خطوة واحدة من بناء مواد تظهر انكسارًا سلبيًا عند الأطوال الموجية البصرية وتحقيق العدسة الفائقة التي طال انتظارها .

• تطوير سبيكة جديدة حققت تحسناً بنسبة 25 بالمائة في قدرة مادة رئيسية على تحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية، مما قد يؤدي يوماً ما إلى تحسين الكفاءة في السيارات والمركبات العسكرية ومرافق توليد الطاقة واسعة النطاق.
• تم توقيع مذكرة تفاهم مع المعهد الكوري للتكنولوجيا الصناعية لتعزيز التعاون الدولي في أبحاث العناصر الأرضية النادرة.
• حصل دان شيختمان ، وهو زميل في مختبر أميس الوطني، على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011 لاكتشافه البلورات شبه الدورية في جامعة جونز هوبكنز . ^{[ 4 ] [ 5 ]}
• استُخدمت تقنية التذرية الغازية لإنتاج مسحوق التيتانيوم بعمليات أكثر كفاءة بعشر مرات من طرق إنتاج المساحيق التقليدية، مما يُخفض تكلفة مسحوق التيتانيوم على المصنّعين بشكل ملحوظ. وقد أدت هذه التقنية إلى تأسيس شركة فازت بجائزة "تحدي أفضل المبتكرين في مجال الطاقة في أمريكا" الذي أطلقته إدارة أوباما. كما فازت شركة "آيوا لتقنية تذرية المساحيق"، التي اعتمدت على هذه التقنية، بجائزة "جون باباجون" لخطة أعمال ولاية آيوا لعام 2012.
• تساعد أساليب قياس الطيف الكتلي الرائدة التي تم تطويرها في مختبر أميس علماء الأحياء النباتية على الحصول على لمحاتهم الأولى عن هياكل الأنسجة النباتية التي لم يسبق لها مثيل، وهو تقدم يفتح آفاقًا جديدة للدراسة قد يكون لها آثار طويلة المدى على أبحاث الوقود الحيوي وعلم الوراثة للمحاصيل.
• يعمل العلماء على كشف أسرار الموصلات الفائقة الغريبة، وهي مواد لا تمتلك مقاومة كهربائية عند تبريدها، مما قد يساعد يوماً ما في زيادة كفاءة توزيع الطاقة.
• اكتشاف النظام الأساسي في الزجاج المعدني، والذي قد يحمل مفتاح القدرة على ابتكار سبائك جديدة عالية التقنية ذات خصائص محددة.
• اكتشاف طرق جديدة لاستخدام بوليمر معروف في الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ( OLEDs )، مما قد يلغي الحاجة إلى أكسيد معدني إشكالي وقابل للكسر بشكل متزايد يستخدم في شاشات العرض في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون والهواتف المحمولة.
• يجري البحث عن طرق لتحسين كابلات الطاقة من الجيل التالي المصنوعة من مركب الألومنيوم والكالسيوم. ستكون الكابلات المصنوعة من هذا المركب أخف وزنًا وأكثر متانة، وستكون موصليتها أفضل بنسبة 10% على الأقل من المواد الحالية المستخدمة في نقل الطاقة بالتيار المستمر، وهو قطاع متنامٍ في مجال نقل الطاقة عالميًا.
• منحت وزارة الطاقة الأمريكية 120 مليون دولار لمختبر أميس في عام 2013 لإنشاء مركز ابتكار جديد للطاقة، وهو معهد المواد الحيوية ، والذي سيركز على إيجاد وتسويق طرق لتقليل الاعتماد على المواد الحيوية الضرورية للتنافسية الأمريكية في تقنيات الطاقة النظيفة.
• إن الحصول على تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من شأنه أن يسرع البحث عن بدائل للمعادن الأرضية النادرة والمعادن الحيوية الأخرى، فضلاً عن المساعدة في تطوير عمليات من شأنها أن تخلق مواد وهياكل فريدة أثناء عملية الطباعة.
• بدأ العمل في عام 2014 على إنشاء مرفق جديد ومتطور للأجهزة الحساسة (SIF). سيضم هذا المرفق المجهر الإلكتروني الماسح النافذ الحالي للمختبر، بالإضافة إلى بعض المعدات الجديدة عالية الحساسية، موفرًا بيئة معزولة عن الاهتزازات والتداخلات الكهرومغناطيسية وغيرها من أنواع التداخل التي قد تحجب التفاصيل الدقيقة على المستوى الذري. وكان من المقرر الانتهاء من إنشاء المرفق في عام 2015.
• يكشف هذا البحث أسرار المواد الجديدة باستخدام مطيافية الليزر فائقة السرعة، على غرار التصوير الفوتوغرافي عالي السرعة حيث تُظهر العديد من الصور السريعة حركات وتغيرات دقيقة داخل المواد. ويُعدّ رصد هذه الديناميكيات إحدى الاستراتيجيات الناشئة لفهم كيفية عمل المواد الجديدة بشكل أفضل، ما يُتيح استخدامها في تطوير تقنيات الطاقة الحديثة.
• ابتكار تقنية تكرير وقود حيوي أسرع وأنظف لا تجمع بين العمليات فحسب، بل تستخدم أيضاً مواد متوفرة على نطاق واسع لتقليل التكاليف.
• يضم مختبر أميس مطياف رنين مغناطيسي نووي (NMR) للحالة الصلبة بتقنية الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP)، والذي يساعد العلماء على فهم كيفية ترتيب الذرات الفردية في المواد. ويُعدّ مطياف DNP-NMR في مختبر أميس الأول من نوعه الذي يُستخدم في علوم المواد والكيمياء في الولايات المتحدة.
• احتفالاً بالذكرى السنوية الخامسة والسبعين لتأسيسه كمختبر وطني تابع لوزارة الطاقة، تم تغيير اسم مختبر أميس إلى مختبر أميس الوطني في 14 يوليو 2022. ^{[ 6 ]}