地球与环境 2022-01-24 14:24

斯科特·钱伯斯在圣地亚哥长大,但他注定要去太平洋西北部。太平洋西北国家实验室(PNNL)帮助确定了他在哪里扎根。然而,他年轻时对化学研究生学位项目的寻找与课程设置有很大关系。

钱伯斯在加州大学圣地亚哥分校(University of California at San Diego)获得化学和化学物理学士学位,有几个研究生院可供选择。几所著名大学对此表示了兴趣。但俄勒冈州立大学(OSU)也将提供全额奖学金。1973年,美国经济陷入衰退,钱伯斯接受了这一要求。他在加州大学圣地亚哥分校大三到大四期间参加了国家科学基金会在加州大学圣地亚哥分校的一个夏季研究项目,通过这个项目,他已经认识了一些俄亥俄州立大学的物理化学教员。

这对俄勒冈州立大学的科瓦利斯校区距离俄勒冈海岸的冲浪点只有一个小时的车程也有帮助吗?这是否影响了这位前加州大学圣地亚哥分校冲浪队员的决定?嗯,一点也不疼。钱伯斯仍然可以对他最喜欢的俄勒冈海岸冲浪地点进行排名。

对他影响最大的是他早年选择的化学学科。

“有物理化学、无机化学、有机化学、生物化学、分析化学、核化学、宇宙化学、海洋化学等等,”钱伯斯说。“所以有很多选择。但是当我上本科课程的时候,我遇到了一个很棒的物理化学教授。那时我对这个话题真的很兴奋。一旦我上了这门课,我就知道这是我想专注的化学领域。”

今天,钱伯斯即将结束他作为西北太平洋国家实验室研究科学家的职业生涯。2000年,钱伯斯被命名为PNNL实验室研究员,2009年,钱伯斯被命名为威利研究员,他促进了我们对复杂金属氧化物薄膜和异质结构的性质和性质的理解。他的同事们说,他做到了,一丝不苟,有原则,而且态度融洽。在继续这项研究的同时,钱伯斯正准备从他在环境分子科学实验室(EMSL)的实验室搬到新的能源科学中心的一个重要空间,该中心是美国能源部科学办公室的用户设施,即将在太平洋西北国家实验室园区开放。他将和十几名同事一起从他的实验室搬来,还有三个超高真空系统和其他对他的研究至关重要的仪器。

教一课,学一课关于实验室的爱

钱伯斯能来到太平洋西北国家实验室的校园真是太了不起了。

1978年,钱伯斯从俄亥俄州立大学毕业,获得物理化学博士学位,之后他设想自己的职业生涯是在学术界。他在俄勒冈州纽伯格的乔治福克斯大学(George Fox University)找到一份工作,担任化学和物理助理教授,同时在俄勒冈州比弗顿的俄勒冈研究生院(Oregon Graduate Institute)担任访问科学家。1982年,他离开西北,在明尼苏达州圣保罗的伯特利大学(Bethel University)任教四年,并在明尼阿波利斯的明尼苏达大学(University of Minnesota)担任研究教授。

但他觉得有一股引力吸引着他去做全职研究。他开始在国家实验室和工业界寻找机会。大约在同一时间,波音公司在西雅图成立了其高科技中心(HTC),以开发先进的航空电子产品。钱伯斯以研究科学家的身份加入了这个新机构。当HTC的大多数科学家为波音的太空和国防部门寻求电路和系统的突破时,钱伯斯在材料组工作,专注于基础科学,以支持这些项目。

“这是一份很棒的工作。其中有两个项目是我非常喜欢参与的。”其中之一是用于航天器的高性能太阳能电池。另一种是可以在空间环境中工作的计算机电路,通过设备结构的一个整体部分来屏蔽宇宙辐射。”

但随着20世纪80年代末冷战的结束,宏达电大部分新技术的国内市场已经枯竭。宏达国际的未来是个问题。1992年初,材料和设备集团的负责人把钱伯斯拉到一边,告诉他中心的命运,并建议他开始另找工作。

旧公司沟通打开了一扇新的门

1991年早些时候,钱伯斯在一次会议上遇到了太平洋西北国家实验室的一位科学家。他就是约翰·拉菲米娜(John LaFemina),现任太平洋西北国家实验室绩效管理执行董事兼首席风险官。

“约翰说,‘嘿,我们要开始一个叫做环境分子科学实验室的新项目。现在这还只是个概念,但我们正在找一个人带领一个小组去做氧化物外延薄膜生长来制作模型矿物,催化剂和传感器表面。你有兴趣吗?'"

当时,钱伯斯正在波音公司从事外延薄膜生长和界面科学研究,作为公司先进电子材料和设备开发的一部分。钱伯斯回忆说:“PNNL希望EMSL具备这种专业知识,但要在基础地球化学和催化界面科学的背景下进行。”

钱伯斯礼貌地拒绝了。1992年初,钱伯斯给拉菲米娜打电话说:“嘿,约翰,那份工作还在吗?”他说绝对是。所以我翻山越岭去面试。大约两个月后,我去参加了第二次面试。在我第二次面试的那天,波音公司宣布他们将关闭高科技中心。之后不久我就被太平洋西北国家实验室雇佣了。这使得从波音到太平洋西北地区的过渡非常容易。”

钱伯斯站在他的EMSL实验室里,俯身向着一个不锈钢室,眯起眼睛,凝视着从室里伸出来的圆形窗户。自1997年1月以来,他一直在这个实验室工作,这是第一个在一个全新的能源部科学办公室使用设备的实验室。

“看看里面,”他指着那扇小窗户说。

蓝光照亮了3英寸直径的玻璃视窗后面的一个磁盘。圆盘上挂着一个最近制作的标本。

这种被称为分子束外延生长系统的腔室,允许Chambers和他的同事在高真空环境中以精确的方式生长超薄材料。

“你在那里发现的非常低的气压与你在外层空间发现的气压相当,”钱伯斯说。“这是超净。我们经历了一个艰苦的过程来达到这种水平的清洁。这样做的原因是,我们制造材料的方法是产生原子束,并将它们射向基底,我们不想要杂质。基板起地基的作用,与房屋的地基作用相同。原子落在衬底的表面并四处移动,因为衬底是热的。然后,它们会形成一种新的材料,一种晶体薄膜,这种薄膜以一种高度控制的方式生长,一次生长一层原子。我们不希望薄膜中有杂质原子,如果没有超净的环境,我们就能得到它们。”

新materials-slowly,仔细

其目标是制造出具有实用性能的新材料。“我们对电子、光学、电化学和磁性的特性很感兴趣。我们对新材料进行基础研究,”钱伯斯说。他指出,一种新材料通常需要几个月的时间来完善。“例如,我们对这种材料非常感兴趣,这种材料可以利用阳光分解水,从而制造出氢气和氧气的混合物,制成可燃燃料。”

“水是一个很好的起始材料,因为有很多水。而阳光是一种丰富的能源。如果你能把太阳的能量和水结合起来,让水分解成氢分子和氧分子,你就能制造出一种非常有效的零碳足迹燃料混合物。这叫做水分裂。但这是一个很难有效执行的过程。我们正在研究由各种氧化物的层状结构组成的先进材料,有时还有传统的半导体,它们可以比我们现在知道的材料更有效地收集阳光。”

钱伯斯是全球氧化薄膜材料科学的权威。2019年,材料、界面和加工科学领域的领先专业协会AVS授予钱伯斯最高荣誉——梅达·w·韦尔奇奖(Medard W. Welch Award)。它以AVS的创始人命名,也被称为美国真空协会。该奖项是为了表彰杰出的研究成果,授予钱伯斯“在理解复杂氧化物外延薄膜和异质结构中异质性、缺陷和无序性的起源和影响方面的开创性贡献”。2004年,他还被威斯康星大学(University of Wisconsin)授予E.W.穆勒(E.W. Mueller)表面科学卓越奖。除了是太平洋西北国家实验室研究员,钱伯斯还是美国物理学会(AVS)和美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science)成员。

钦佩的同事

太平洋西北国家实验室的工作人员、部门经理彼得·苏斯科(Peter Sushko)每天与钱伯斯合作,他说,钱伯斯在达到这些成就水平的同时,也为自己设定了很高的职业标准。

2003年,他在日本的一次会议上认识了钱伯斯。“在科学领域,注重细节是有好处的。斯科特关注。他已经到了相当严重的程度。他的挑战。他在我们的工作中力求精确。”

这也意味着,尽管钱伯斯在宣布自己的发现是有效的之前会仔细审查自己的发现,但他对自己的同事也会进行同样程度的审查,不管他们喜欢与否。

苏什科说:“斯科特偶尔会引用一句谚语,‘没有什么比错误更像新现象了。’”“斯科特可能会看到那些看起来好得令人难以置信的发现,然后问一些问题,‘你真的有了新发现吗,还是实验中有什么根本缺陷?'"

钱伯斯团队的另一位科学家史蒂文·斯珀金(Steven Spurgeon)也经常看到他的导师有原则的科学方法。“他为我们树立了榜样,”专注于电子显微镜研究的材料科学家斯珀真说。

斯珀金说,钱伯斯创造了一种专业和一种文化,这种文化导致了关键的科学进步,这是能源部使命的核心。

“斯科特已经建立了一个实验室,在那里我们正在探索原子之间的相互作用,这种相互作用产生了用于重要技术的特性,如量子计算、电池和太阳能电池,”斯珀容说。“该实验室正在为下一代技术铺平道路,创造一次单一原子层的新材料,将原子以自然界中没有的方式结合在一起。”

钱伯斯将于明年年初正式退休,但仍计划在兼职的基础上继续参与研究。在分子束外延实验室迁往能源科学中心后,该实验室的工作人员科学家杜英格将接管该实验室的领导和管理工作。杜记得十多年前,他第一次认识钱伯斯。

杜是弗吉尼亚大学的一名研究生。他准备在2007年来到太平洋西北国家实验室校园,开始他的博士后工作与外延仪器在EMSL。在到达之前,他查看了维基百科分子束外延的页面。在那里,他找到了一份薄膜工艺的描述。他还找到了一张钱伯斯的照片来说明这一页。

“他在维基?”杜回忆起过去。“他一定是个很有名的人。”

钱伯斯的脸已经不在页面上了,但杜军仍然坚持自己的第一印象。

杜军表示,他计划借鉴钱伯斯的一个特点,并在自己的实验室继续领导。

“斯科特把真相摆到桌子上,”杜说,钱伯斯在2010年聘请他为太平洋西北国家实验室的工作科学家。他并不觉得自己必须追逐每一个热门话题。他很简单。有时候,这让他在研究界的同行们感到不舒服,因为他们会问一些棘手的问题。”

留下一笔遗产

钱伯斯撰写或与人合作发表了300多篇同行评议的期刊论文,并邀请撰写了20多篇评论文章和书籍章节。他拥有三项专利,并在主导实验室的分子束外延仪器的设计中发挥了关键作用。不过,对于这位前管弦乐单簧管演奏家来说,这些成就只是背景音乐。

钱伯斯在搞科学,搞基础科学。

外延仪旁边是一台电脑屏幕。屏幕显示了真空室内部的实时视图,以及显示薄膜实时生长速率的摆动图形。在屏幕的旁边,有一本很大的精装笔记本,上面有很多行列式的书页,打开着。笔记本上显示手写的笔记关于材料沉积的每个阶段。旁边放着其他笔记本,上面写满了多年来的观察记录。是的,他承认,他可以把观测结果直接输入计算机。但是手写在纸上的信息确实很吸引人,也很方便。

“我是一名科学家,我对物质的基本属性感兴趣,对材料的特性有更深入的了解,”钱伯斯在外延仪旁停顿了一下说。“我的最高价值观是科学上的严谨和正直。我们认真地进行科学研究。我们以我们所能达到的最高水平来分析我们的结果。我们会互相问尖锐的问题,所以局外人就不需要问了。我们不会过分夸大结果。在回答我们想要回答的问题时,我们会想尽一切办法。我们力求做到彻底和仔细。作为一个低调的人,我很好地被人们记住。最好是让别人比你更突出你的工作,而不是相反。”