美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究者表示，当所开发的新型聚合物被用于碳纤维增强复合材料（CFRP）的表面防护层时，能够作为飞机防雷击的有效保护层。

CFRP是理想的轻量化材料，常被用于航空飞行器的外饰件。尽管在轻量化方面CFRP优势明显，但它也有明显的缺点，即导电性和耐热性较差，这使该材料更易遭遇雷击。因此，雷击对CFRP的破坏往往是灾难性的。

常用的雷击防护（LSP）技术是在复合材料结构顶部覆盖金属箔或薄膜。该技术的突出缺点包括重量增加、电偶腐蚀和昂贵的集成/维修成本。在ORNL的研究中，研究者开发了一种易于应用的全聚合物雷击防护新材料。该材料是在热固性交联聚合物二乙烯基苯（DVB）中添加聚苯胺（PANI）等本征导电聚合物，制成的厚度为0.25-0.4 mm的粘接层。实验中，CFRP结构表面涂覆一层PANI基雷击防护层，当模拟雷击电流为100 kA时，样品实现了有效的电流耗散，而样品结构本身保持100%安全。PANI因为具有自组装性能，而拥有形成三维导电网络结构的能力，这使它与碳/金属纳米填料的雷击防护技术相比更具优势。同时，该研究还证明，含有PANI保护层的CFRP结构的剩余强度接近100%。

“我们采用3D打印技术，在CFRP表面涂覆一层易于操作的粘接材料，”ORNL的Vipin Kumar表示。“特殊的聚合物链段结构使得该材料导电性更强、热处理时的强度更高。”在该研究中，研究者对有、无聚合物保护的CFRP材料进行了模拟雷击的对照试验。“经目测，有聚合物保护的CFRP试样表现出了极小的损伤，且散热更加均匀，”Kumar介绍说。“实验结果表明，聚合物层为雷击电流的导出提供了有效且连续的路径。”

相关研究内容发表在 and , 172, 1 March 2019，49-57。

橡树岭国家实验室的主要成就：

1、核动力与研究反应堆—从曼哈顿工程到电的产生

20世纪四十年代诞生了许多动力反应堆概念，有些发展被认为仍然有效的技术。因为认为铀非常稀少，所以一些科学家想出一种产生多余消耗钚的快速反应堆。1945年，和Harry 公布了用钠冷却增殖反应堆的第一个设计。

2、反应堆化学—钷的发现

1914年，第一次世界大战中在战斗中阵亡的前一年，其工作影响元素在周期表中最后排序。才华横溢的英国物理学家证明在稀土钕和钐之间应该存在元素61。1941-42年美国化学家们试图造出元素61，但不能证明已经造出这一元素。

1945年，在 的领导下，工作在石墨反应堆上的化学家Jacob 和Larry 造出了元素61。他们通过铀的裂变和用用来自反应堆中裂变铀的中子轰击钕获得这一元素。他们在附近的热实验室和化学楼里工作，利用离子交换色层法，首次从化学上鉴定了元素61的两个同位素。

和在1947年的美国化学学会会议上宣布了他们在化学上证明元素61的存在。1948年，他们在马省理工学院工作时建议将元素61“钷”命名为普罗米修斯（希腊神话中的巨人，相传因盗取天火给人类触怒主神宙斯，被锁在高加索山崖遭受神鹰折磨）。这一想法来自的妻子Grace Mary。1949年这一名称被国际化学化学联合会所接受。

钷是在地球地壳中没有发现发射β的放射性金属，在仙女座中一个星的光谱里看到了它。钷147用于导弹中的仪器核动力电池。

3、核同位素

二次大战期间，橡树岭Y-12厂被用来电磁分离两个铀同位素，产生曼哈顿工程用的武器等级的材料。大战结束后，除了一个电磁型同位素分离器大厅外，其他所有的大厅均转为它用。剩余的设施转给ORNL，生产许多用于和平目的的同位素。

4、核医学—疾病的诊断和治疗

将ORNL产生的放射性同位素转变为可恢复人体健康的试剂是ORNL核医学研究人员长期以来的奋斗目标。20世纪七十年代中叶以来，在Russ Knapp的领导下，他们开发出用于医学扫描诊断心脏病的放射性成像试剂。该试剂已经在全世界病人研究中经过了试验，在日本和俄罗斯进行工业化生产，并用于治疗无数的心脏病患者。ORNL试剂是用放射性碘做标记的脂肪酸，可用来探测心脏病发作后心肌有多少还活着，预测搭桥手术或气球状的血管成型术是否会恢复所有血液流通。

5、核燃料—开发新工艺

第二次世界大战期间，橡树岭的石墨反应堆是作为一个试验工厂为展示钚的产生而运行的。ORNL的研究人员开发出从用过的铀燃料和裂变产品中分离钚的化学工艺。他们利用沉淀从溶解在硝酸中用过的燃料中提取钚，设计和应用工艺。

6、核燃料—核工业的新设计

上个世纪四十年代末，由 领导的ORNL小组设计了水冷却释热元件，确保材料试验反应堆产生足够高的中子浓缩度，以便确定哪些支撑最好的材料可用于未来反应堆。该组设计的铀释热元件放在铝板之间，外面由铍包围，将中子反射回到堆芯。最有名的发明是将铝板弯曲，所以在非常热的情况下，它们只向一个方向弯曲，防止水冷却液流量的压缩，这决定着中子的流强。这个设计是美国研究反应堆和潜水艇堆芯的模型。

7、核燃料—国际软件

SCALE是一个易于使用用来确定核装置的设计和传输或存储数据包是否符合核安全标准的计算机软件系统。ORNL开发的系统在世界范围里被用来回答核安全问题。例如：装有用完的核燃料的储存罐足以屏蔽，防止雇员达到有害辐射水平吗？罐的设计，在平板卡车或火车车厢里罐的摆放，会防止涉及不受控制地释放能量和辐射的临界事故吗？

8、核安全—了解挑战

ORNL在无数方面对核安全起作用。它培养了900多位反应堆设计和安全操作方面的工程师。实验室出版了核安全杂志已有30多年。60年代以来，ORNL已经对核临界安全具有了重要影响 — 利用工业控制防止产生在铀或钚的处理、储存和运输中发生意外不能控制的链式反应的潜在后果。ORNL的研究人员提供几个临界安全标准和管理批准这个指导原则的国际小组。

9、核脱盐—渴望解决方案

联合国估计全世界有11亿人口，几乎6个人中就有1人喝不到安全的饮用水。一种解决的方案是从海洋里取水并把盐除掉。

10、核不扩散—降低核威胁

2002年，ORNL组与美国核安全局、国务院和国际原子能委员会的专家们一道从南斯拉夫反应堆上安全拆除50公斤的高浓缩铀。这些材料被运到俄罗斯转为反应堆级燃料。

为减少美国和俄罗斯反应堆产生的多余的武器级的钚，ORNL管理多处为轻水反应堆生产、辐照和试验基于钚的混合氧化物燃料的工作。ORNL管理和与俄罗斯从事开发生产俄罗斯反应堆所用混合氧化物燃料需要的技术。

通过将原苏联的武器研究人员固有的技术商品化和重新产业化的努力，ORNL正为他们创造有意义的工作。

11、中子散射—变化的仪器

1994年，率先在橡树岭石墨反应堆上采用中子散射开展材料研究的 Shull分享了诺贝尔物理奖。Shull和他的导师 利用中子散射确定晶体中原子在哪里。中子散射在世界上被用于研究材料的结构和动力学，开发出强力塑料、小电机中看到的改进的磁性材料、信用卡、计算机磁盘和CD盘。1945后期，用X射线散射研究固体和气体的考虑用石墨反应堆的中子研究散射。他通过让反应堆中子经过晶体产生了一个单波长中子束流，并用谱仪测量与中的原子核相互作用所发生的中子散射的角度和能量。这一信息帮助揭示物质的结构。

12、半导体—打造数字的未来

过去40年间，ORNL的研究人员提供了重要的信息和技术，产生了半导体产业，提高了该产业的经济意义。

1962年， Oen和Mark 在开展晶体材料中辐射损伤理论研究的同时，进行揭示离子沟道影响与固体中长排的原子平行的原子的长距离运动的计算机模拟。这一工作和Bill 、 Moak、 Datz、Herb 和其他人所做的高能离子沟道实验能够了解沟道现象，帮助工业界生产具有正确特性的植入离子的半导体材料。

13、半导体—传输电力

由于有了高温超导线和电缆，未来的电网将更加有效。ORNL的研究人员与工业伙伴合作，利用1986年发现的现象所开发的高温超导线的电阻比铜线的电阻小得多。与相当的技术比较，使用这样的线的设备占用空间较小，运行费用较低，耗能较少。美国电网中超导电缆导电是同样大小尺寸铜线的5倍。因为高温超导电缆以热量形式损失很少的能量，所以电传输的损耗减少一半，从8%降低到4%。

14、离子植入材料—实在的人造关节

在ORNL，通过纯理论手段出色地发现离子沟道，最后导致制定基于加速器的计划将离子引入材料。研究人员发现离子植入能够改进许多材料的表面，包括用于制造人造髋关节和膝盖的合金。

15、环境影响分析—寻找平衡

联邦政府资助或批准的设施在建造前，必须认真检查工程的效果。在环境影响说明中，必须权衡它们的造价和效益。自1971年以来，为核电厂曾准备过这样的环境影响说明。ORNL和其他三个国家实验室的研究人员涉及一个应急计划，为90个运行核电厂和那些建设中的核电厂或正在设计中的核电厂起草环境影响说明。七十年代，ORNL还涉及决定是否为提出的电厂建造冷却塔，以保护哈德逊河的有条纹鲈鱼。ORNL的工程师们开发出的一种电子标记，它通过手术植入雨中。该标记发射出超声波信号，用于观测三文鱼靠近水电大坝时的变化 — 这一信息有助于鱼安全通大坝的上游和下游。

16、环境质量—种下科学的种子

来自工业设施的放射性和有害物质对构成生态系统的动植物有什么影响？生态系统与地球大气如何发生相互作用？ORNL的研究人员帮助回答了这些和其他50多年来的其他问题，开创了生态研究的新领域。

17、空间探索—最后的前沿科学

2002年8月20日，美国国家宇航局庆祝旅行者2号宇宙探测器通过太阳系旅程25周年 — 可能是人类探索宇宙最伟大的功绩。旅行者2号向地球发回令人注目的木星、土星、天王星和海王星地形、环和卫星的照片。旅行者2号距太阳足足超过60亿英里远，上面载有ORNL制造的材料。

18、石墨和碳产品—从导弹到纳斯卡（）

石墨反应堆的名称承认石墨需要有的特性。这种形式的结晶碳被选为橡树岭的第一台反应堆和钚产生反应堆的减速器。石墨不仅将铀裂变中产生的中子减速到足以使钚形成，而且还在高温时变得更强，并抗辐射损伤。

19、先进材料—工业用的合金

材料合成ORNL第一个开发的商业化的合金是耐盐酸镍基合金-N，先由国际镍公司出售，由 公司销售。这个镍-钼-铜-铁合金是由Hank 和其他人开发的，含有ORNL开发的熔盐反应堆使用的燃料。该种合金抗老化、抗断裂和抗暴露在热的含氟化物的盐引起的腐蚀。

20、先进材料—工具、涡轮机和柴油发动机

许多发明在10到15年里从实验室到工厂都不会取得成功，但ORNL的一种陶瓷发现后3年成为商业产品。这个名人遗物收藏馆的陶瓷是铝氧化物和从普通米壳制造的微观硅炭化物SiC晶须的复合材料。

21、生物技术—用细菌清除

ORNL生物技术一个早期的例子是1972年由Chet 所做的展示：花园土壤中的细菌能够去掉工业废水中的硝酸盐和稀有元素。ORNL在俄亥俄州的铀浓缩厂建了一座试验生物反应堆处理硝酸盐废物。橡树岭Y-12国家安全整套装置为处理硝酸废物的一座工厂采用了的设计。在这些场地利用重组体和自然细菌处理地下废物的生物治疗在继续进行。

在1997年进行的实验中，ORNL采用了基因工程微生物来探测土壤污染物；美国政府部门首次批准它在能源部的一个场地有控制地向环境释放。

六十年代， Adler和他的助手们研究辐射对大肠杆菌的影响。一些被辐射损伤的细菌死亡，神秘的是除非它们生长在有其他细菌的情况下。最终的解释是含有来自那些其他细菌薄膜部分的酶，它把氧从介质中去掉，使得受损伤的大肠杆菌得以复原。

Adler和Jim 开发出一项提取和冷藏这些薄膜碎片，和利用它们去掉来自支持厌氧微生物（在氧中死亡）液体介质的氧的技术。他们的技术有助于早发现由厌氧微生物和生产像丁醇之类的化学品引起的疾病，如破伤风和坏疽。1987年，他们成立了公司，继续向北美、南美、亚洲和欧洲的医院病理学和研究实验室销售诊断介质。

利用在生产除冰剂、食品添加剂、溶剂和最后是塑料中需要的将普通糖转化为琥珀酸的一种新的微生物，ORNL和美国能源部其他的国家实验室与应用碳-化学制品公司（ Carbo-）一起开发了一种发酵工艺。ORNL的Nhuan 和Brian 在生物反应堆中开发了这一发酵工艺。应用碳-化学制品公司展示了这一很快商品化的发酵10万公升的工艺流程。

22、光合作用—发现光

发现光对研究绿色植物细胞和辐射有兴趣的几位ORNL的生物学家集中研究了光合作用。

23、生物系统—生命工厂一瞥

ORNL制定其生物研究计划，旨在确定辐射的性质和辐射对活细胞的影响。

这些研究是出于关心反应堆、原子武器试验和进入人体的放射性元素的辐射对健康的影响而进行的。辐射生物学方面的世界权威 年来到橡树岭，率领ORNL的研究人员开展辐射对微生物、果蝇、植物和以后是老鼠的影响的研究。他制定了一项广泛的计划，一度使ORNL成为世界上最大的生物实验室。曾在ORNL从事生物科学研究的20名研究人员被选为美国国家科学院的院士。

24、计算生物学—发现基因，预言蛋白质结构

ORNL的计算生物学研究人员在人类基因组工程中起着重要作用。2001年，《科学》和《自然》杂志特刊刊登了人类基因组草图，这两个特刊都提到了ORNL的生物信息学研究。ORNL的Frank 、Jay 和Ed 被列为那期《自然》主要论文的两作者。和 Mural开发的GRAIL发现基因工具用于这项工作，《科学》杂志的基因组计划大事记中也提到了它。

Ying Xu和Dong Xu开发了蛋白质结构预言和评估计算机工具盒（），即预言来自氨基酸序列的蛋白质三维结构的计算工具。了解这些特定的蛋白质三维结构对疾病的研究和发现药物至关重要。可在几小时而不是传统实验需要的数月就可确定蛋白质的几何结构。它是世界上最佳的预言蛋白质结构的工具之一。

25、生物医学技术—检查和预防疾病

在过去的50年中，ORNL的研究人员发明了大的仪器，小型分析仪和小的芯片，用来诊断或预防人类疾病和小毛病。

1950年，由物理学家P. R. Bell领导的ORNL的一个组发明了一种改进闪烁谱仪，测量从磷光体产生与辐射打击这些晶体成正比的光闪烁的次数和强度。多路分析仪用电子学装置将这些闪烁记录下来，能够快速对β和γ辐射能量进行分析。

1956年，Bell的组找到将电子计算机并入医学扫描仪更精确地突出吸收放射性同位素的肿瘤的方法，从而不必要开刀来检查癌。ORNL开发的这些商业型号的成像机器被用于全世界的主要医学中心，用来查出恶性肿瘤的位置，以便进行治疗，延长患者的生命。

1961年，利用美国原子能委员会和美国国家卫生院提供的经费，由 领导的ORNL的一个组发现用于生产核反应堆燃料浓缩铀离心技术的医学应用。研究人员证明，根据大小和密度将物质分离成为分子组成部分的快速自旋分离机，通过去掉可造成免疫病人副作用的外来蛋白质，能够纯化疫苗。到1967年，以ORNL发明为基础的商用带状离心机为无数人生产了更为安全的疫苗。

在的引导下， Scott和其他ORNL的研究人员在六十和七十年代末发明了可提的快速离心分析仪，用于全美国的医疗诊所。这些分析仪在几分钟内就能检验出血、尿和体内其他流体的成分，为医疗诊断记录下数据。

这些机器中，最著名的是ORNL的，它由国家卫生院的普通医学科学处和原子能委员会共同资助。利用一个旋转15个透明管通过光束的转子，将结果显示在示波器上，将数据送入计算机，在以前一次分析所用的时间里完成15的医学分析。以这一发明为基础的医学分析仪用于许多美国的诊所。

在七十和八十年代，ORNL的Carl 发明了可提血液转子（blood rotor），它采用了最新的技术，根据的概念加以改进。这个小的分析仪采用与光束存在的情况下的血液成分发生作用的各种试剂，旨在为诊所医师和兽医快速和同时提供人和动物血液组成部分的测量结果。该技术于1992年转让给公司，仍然生产以该技术为基础的血液分析仪。

九十年代，由ORNL的Tuan Vo Dinh和位于的汤姆森癌症救生中心（ ）的 和 开发了一项确定食管肿瘤是良性还是恶性的非外科激光技术。

这个光学传感器采用内诊镜、光纤、激光和算法规则收集和比较食道中的荧光图形（正常的恶性组织不同）。该传感器已在汤姆森癌症救生中心200个患者的1000个样品中经过试验。在占98%的试验中，光学的和外科的活组织切片检查结果一致。ORNL已经将光学活组织切片检查技术转让给了的橡树岭癌症即刻化验室。

Vo-Dinh、Alan 和其他人发明了一种先进的多功能生物芯片系统，将来的某一天，它可在医生的办公室里很快诊断很多疾病。该项技术已经转让给了橡树岭的公司。

九十年代初期由ORNL的研究人员Mike 发明的“芯片实验室”的改进型号被技术公司（ ）商品化。这些火柴盒大小的芯片有几个比人的头发还细的通道，它们与存储器连接，所有的存储器利用微加工技术都刻在极小的玻璃板上。芯片可以用来分析DNA、RNA、蛋白质和细胞。技术公司也在销售针对发现药物的高输入输出信息通过量实验用的设备。该公司2001年的销售额接近3000万美元，比2000年增长59%。

26、智能机器—用机器人降低风险

机械操纵器早已用于高放射性物质工作屏蔽室，防止使用者接触放射性物质。从七十年代晚期开始，ORNL的研究人员就发明了遥控的灵巧伺服操作器，可在电视上看这些操作器的工作。这样的“遥控操作”技术能够使在对人太危险的放射性区域的工作成为可能。这一技术扩展了阿贡国家实验室提出的较早概念，启动了ORNL机器人的研究。从此，遥控技术便应用到核燃料再加工、军事战场弹药管理、加速器、聚变反应堆和美国能源部全国废料厂环境清理工程（如遥控等离子体弧切金属结构以拆除被污染的设备）。

27、有害辐射防护学和辐射计量学—帮助确定辐射防护的指导原则

1942年12月当芝加哥获得第一个受控连锁反应时，一些物理学家测量了工作地点的辐射强度。因为曼哈顿工程开始，所以需要用“有害辐射防护学”的方法测量由人造核素放射出的辐射和控制工作地点的放射性污染。

28、辐射屏蔽—安全第一

20世纪三十年代， 发明了一个公式，表明有些材料比其他材料在接收或放慢中子散射中更为有效。这一工作确立了辐射防护研究的基础。

到1951年，在 的指导下，ORNL成为进行计算以确定需要防止人和设备受到有害辐射强度辐射的铅、钢和混凝土屏蔽的厚度和配置。对于后来流产的核飞机工程，ORNL的研究人员努力工作，以找到保护由小核反应堆提供动力的飞机机组人员免受辐射的重量轻的屏蔽材料。为了给这一工作提供数据，五十年代建造了ORNL整体屏蔽反应堆和塔式屏蔽装置。

1958年，ORNL的研究人员开发了中子传输代码和光子传输代码，它们的屏蔽配置最佳地防止人类受到中子和伽马射线的辐射。1959年，他们评估了为美国第一艘也是唯一的一艘核动力民用船只号提出的反应堆屏蔽的有效性。

1966年，橡树岭电子直线加速器开始为屏蔽代码开发者提供辐射如何与单个原子在屏蔽材料中发生相互作用方面的数据。该加速器帮助科学家们回答了像“中子辐射被原子核捕获或散射掉了多少？”和“引起原子裂变多少？”这样的问题。

1967年，ORNL开发了计算模拟代码，该代码仍然用来评价辐射屏蔽的有效性。1986年，橡树岭传输模型公布；这个第一次公开的辐射传输模拟代码能够解决极大、复杂和三维屏蔽问题。

ORNL的屏蔽研究正用于设计散裂中子源靶、医学辐射治疗和国土安全工程。ORNL的研究人员还对困难屏蔽问题的咨询请求做出反应。