大多數人認為沸水是理所當然的。對於副教授 Matteo Bucci 來說,揭示沸騰背後的物理原理是一段長達十年的旅程,充滿了意想不到的挑戰和新的見解。
揭示沸騰的物理原理可以促進高效能能源生產、電子冷卻、海水淡化、醫療診斷等領域的進步。圖片來源:Freepik,免費許可
這種看似簡單的現像在核反應器等複雜系統中很難研究,但它卻是各種重要工業過程的核心。因此,解開其秘密可以促進高效能能源生產、電子冷卻、海水淡化、醫療診斷等方面的進步。
「沸騰對於核武以外的應用來說很重要,」今年 7 月獲得麻省理工學院終身教職的布奇說道。 「80% 的發電廠都使用沸騰發電。我的研究對太空推進、能源儲存、電子學以及日益重要的電腦冷卻任務具有重要意義。
布奇的實驗室開發了新的實驗技術,以揭示數十年來限制能源專案的各種沸騰和傳熱現象。其中最主要的問題是氣泡形成得太快,它們在表面形成一條蒸汽帶,阻礙了進一步的熱傳遞。 2023 年,Bucci 和合作者開發了一種統一原則治理這個被稱為「沸騰危機」的問題,可以提高核反應器的效率並防止災難性故障。
對布奇來說,每一輪的進步都會帶來新的可能性──以及需要回答的新問題。
“最好的論文是什麼?”布奇問。 「最好的論文是下一篇。我想阿爾弗雷德希區考克曾經說過,你的上一部電影有多好並不重要。如果你的下一部很糟糕,人們就不會記得它。我總是告訴我的學生,我們的下一篇論文應該總是比上一篇更好。這是一個持續改進的過程。
從工程到泡沫
布奇長大的義大利村莊在他童年時期約有 1000 人。他透過在父親的機械車間工作以及拆卸和重新組裝洗衣機和空調等電器來查看裡面的東西來獲得機械技能。他也對自行車運動產生了熱情,並參與了這項運動,直到他進入比薩大學攻讀本科和研究生。
在大學裡,布奇對物質和生命的起源著迷,但他也喜歡建造東西,所以當需要在物理和工程之間做出選擇時,他認為核工程是一個很好的中間立場。
「我對建築充滿熱情,並熱衷於了解事物的製造方式,」布奇說。 「核子工程是一個不太可能但顯而易見的選擇。這不太可能,因為在義大利,核能已經脫離了能源格局,所以我們的人很少。同時,智力和實踐挑戰相結合,這正是我喜歡的。
為了攻讀博士學位,布奇前往法國,在那裡他遇到了他的妻子,並繼續在法國國家實驗室工作。有一天,他的部門主管要求他解決核反應器安全的一個問題,即瞬態沸騰。為了解決這個問題,他想使用麻省理工學院教授Jacopo Buongiorno 首創的測量方法,因此他於2013 年獲得資助,成為麻省理工學院的訪問科學家。研究沸騰。
如今,布奇的實驗室正在開發新的診斷技術來研究沸騰和傳熱,以及可以提高熱傳導效率的新材料和塗層。這項工作使研究人員對核反應器內部的條件有了前所未有的了解。
「我們開發的診斷方法可以在一天的實驗中收集相當於 20 年實驗成果的信息,」Bucci 說。
這些數據反過來又讓布奇得出了一個非常簡單的模型來描述這場沸騰的危機。
「核反應器包殼表面沸騰過程的有效性決定了反應器的效率和安全性,」布奇解釋。 「這就像一輛汽車,你想要加速,但有一個上限。對於核反應器來說,該上限是由沸騰傳熱決定的,因此我們有興趣了解該上限是什麼以及如何克服它以提高反應器的性能。
Bucci 的另一個特別有影響力的研究領域是兩相浸入式冷卻,在這一過程中,熱伺服器部件使液體沸騰,然後產生的蒸汽在上面的熱交換器上冷凝,以形成恆定的被動冷卻循環。
「它可以讓晶片保持低溫,同時最大限度地減少能源浪費,從而顯著減少資料中心的電力消耗和二氧化碳排放,」Bucci 解釋道。 「資料中心排放的二氧化碳與整個航空業排放的二氧化碳一樣多。到 2040 年,它們將佔排放量的 10% 以上。
支持學生
布奇說,與學生一起工作是他工作中最有價值的部分。 「他們有如此巨大的熱情和能力。與和你有同樣熱情的人一起工作會很有動力。
「我的學生無所畏懼地探索新想法,」布奇補充道。 「它們幾乎永遠不會在障礙物前停下來——有時甚至到了你必須放慢它們速度並讓它們回到正軌的地步。”
在管理核子科學與工程系的紅色實驗室時,布奇試圖給予學生獨立性和支持。
「我們不是在教育學生,而是在教育未來的研究人員,」布奇說。 「我認為我們工作中最重要的部分不僅是提供工具,還要給予解決問題的信心和自我啟動的態度。這可能是業務問題、實驗問題、實驗室夥伴的問題。
布奇的學生進行的一些更獨特的實驗確實要求他們在飛機上自由落體以實現零重力時收集測量結果。
「太空研究是所有孩子們的偉大幻想,」布奇說,他每年大約兩次與學生一起參與實驗。 「這對學生來說是非常有趣且鼓舞人心的研究。零重力讓你對生活有新的看法。
應用人工智慧
布奇也對將人工智慧納入他的領域感到興奮。 2023 年,他是專門致力於機器學習的熱科學多大學研究計畫 (MURI) 計畫的共同接受者。為了認可人工智慧在他的領域所帶來的希望,布奇最近還創辦了一本名為AI導熱液以人工智慧驅動的研究進展為特色。
「我們的社區沒有適合那些想要開發機器學習技術的人,」布奇說。 「我們希望為電腦科學和熱科學領域的人們創造一條共同努力取得進步的途徑。我認為我們確實需要讓計算機科學家加入我們的社區來加快這一進程。
布奇也相信人工智慧可以用來處理使用他開發的新實驗技術收集的大量數據,以及對研究人員尚無法研究的現象進行建模。
「人工智慧可能會讓我們有機會理解無法觀察到的事物,或者至少在我們試圖找到許多問題的根本原因時在黑暗中引導我們,」布奇說。
札克溫恩 編劇
來源:麻省理工學院