突出了布朗在能源和环境工程方面的杰出表现

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——随着全球气温上升、经济扩张和人口增长，对新环境和能源技术的需求也在增加，以为地球创造一个更清洁、更可持续的未来。在实验室和实地，布朗大学工程学院的研究人员正在合作开发下一代绿色技术，以应对这些世代的挑战。

“在过去的150年里，全球经济在技术上变得异常复杂，这使得我们能够创造出许多不可或缺的东西。但是我们污染了空气和水，向大气中排放了超过一千亿吨的碳。”“如果我们要建设一个更清洁的后碳世界，我们将需要新的能源、更高效的设备、新的制造技术和自我清洁的新方法。工程研究将是所有这些努力的核心，解决这些多方面的挑战是布朗大学蓬勃发展的研究。”

随着布朗大学致力于到2050年实现净零排放，布朗大学的研究人员正在创造从太阳能中获取能量的新方法，而其他团队正在开发用于储存这种能量的新电池。在一个日益依赖大规模计算的世界里，计算机工程师正在设计更有效地使用电力的系统。学者团队正在开发识别和消除环境污染物的新方法。

拉尔森说，和许多新兴的工程学研究领域一样，这些项目往往不太适合传统的学科结构。布朗大学的工程学院没有独立的学科体系，这鼓励了新的合作，并确保研究可以跨界进行。

拉尔森说:“举例来说，当你想到制造电池时，你谈论的是化学、材料科学、力学等等。“在布朗大学，你可以走到大厅里，与任何领域的专家交谈——无论你需要谁。在一个这些学科都在一个单独的建筑里的地方很难做到这一点。这就是为什么布朗在这些研究领域如此强大的原因之一。”

最近主要投资在布朗工程,新的工程研究中心提供了最先进的设施这类研究的要求,包括一个4000平方英尺的洁净室纳米技术和电子产品的研究,一个新的电子显微镜实验室设施和开放空间旨在鼓励在布朗大学的合作研究的繁荣。

在利用新建筑的研究人员中有学生，他们直接与成绩优异的教师一起工作。布朗大学最近开设了环境工程专业的本科课程，本科生和研究生都积极参与研究，布朗大学正在培养未来顶尖的能源和环境工程师。

太阳能电池

周媛媛，工程系助理教授(研究)，与工程系教授Nitin Padture合作开发更好的钙钛矿太阳能电池。图:艾米·西蒙在过去的10年里，由钙钛矿晶体材料制成的太阳能电池已经成为下一代太阳能技术的潜在发展方向。钙钛矿的成本只是传统硅的一小部分，但在将阳光转化为能源方面同样有效。钙钛矿太阳能电池可以由薄的半透明薄膜制成，从而提高了窗户和其他建筑集成太阳能技术的可能性。它们也可能是小型灵活设备的一个很好的选择——例如，可以给手机充电的背包上的太阳能电池。

在美国国家科学基金会400万美元的资助和美国海军研究办公室的资助下，工程学教授尼廷·帕杜尔正在努力克服采用这项技术的剩余挑战——使钙钛板更安全、更耐用、在商业上更可行。

一个问题是钙钛矿通常含有铅，铅是有毒的，还有有机物质，当暴露在环境中时，它们会迅速降解。帕德图尔的实验室正致力于制造无铅无机钙钛矿。该团队的研究揭示了几种材料的选择，一种由钛制成，另一种由锡制成，在保持合理的太阳能效率的同时，可以消除铅和有机物。

帕杜尔集团还在研发钙钛矿的新制造技术方面取得了长足进展，这可能有助于加速钙钛矿的上市。他们已经演示了几种方法，使细胞足够大的商业应用，同时保持较小的效率，实验室规模的细胞。最近，该组织致力于提高耐久性。

帕杜尔说:“我认为钙钛矿的主要前景是把太阳能带到以前没有被广泛使用的地方——帐篷、背包和各种消费品。”“但如果我们想让这些细胞与人互动，我们必须让它们无铅、稳定、耐用。如果我们能做到这一点，那么我们就能真正看到这些材料的前景。”

钙钛矿太阳能电池具有巨大的潜力。布朗大学的研究正在帮助将它们推向市场。图:Amy simmonspadture的实验室正在研究收集能量的新方法，他的同事Brian Sheldon和同事正在研究储存能量的新方法。在美国国家科学基金会(National Science Foundation)、通用汽车(General Motors)和美国能源部(U.S. Department of Energy)的支持下，谢尔登正在开发改进锂离子电池的新策略。除了减少交通运输中化石燃料的使用，新电池技术还将更好地利用风能和太阳能等可再生能源，在没有太阳能和风能的情况下储存电能。 

谢尔登说:“传统的电池研究领域主要是电化学领域。布朗说:“但是在储能方面有很多问题，其中机械问题是关键。布朗的优势之一是材料的机械性能。所以我们的重点一直是把力学和材料方面的专业知识应用到储能问题上。”

机械研究的一个重要影响领域是理解固态电解质界面(SEIs)——电池阳极和电解质之间形成的薄膜。SEIs对电池的功能至关重要，找到增强它们的方法将使电池的使用寿命大大延长。

谢尔顿的实验室开发了一种方法，可以在实际的电池条件下测试SEIs的机械应变——这是以前没人能做到的。利用原子力显微镜，研究小组第一次能够研究SEIs的失效机制。

现在他把他的力学专业知识用于固体电解质的研究。在大多数电流电池中，电解质是液体。这很好，但是缺陷会导致火灾——还记得去年全国报道的手机爆炸吗?固体电解质可能更稳定，但了解它们在充放电周期中受到的压力是至关重要的。谢尔登和他的同事们最近的研究开始揭示导致固体电解质失效的因素。这些观察结果将是改进固体电解质设计的关键。

谢耳朵对电池技术的见解是可能的，他说，因为布朗大学的专业知识多样化。

他说:“我们和其他一些人都认为，机械在电池中很重要。我认为，我们可以为成为第一波浪潮的一部分而受到一些赞扬。”“布朗大学的一个优点是我们有很多跨学科的专业知识——部分原因在于我们的结构。我们没有传统的部门界限，所以这里的人们的研究兴趣是交织在一起的。”

节能计算

从我们手中的设备到存储和操作世界数据的服务器仓库，计算产生了对能源日益增长的需求。

“单独来说，我们的设备并不会消耗很多能量，但是累积起来，它们会消耗很多能量。”——虹膜Bahar

工程学和计算机科学教授艾瑞斯•巴尔(Iris Bahar)表示:“就个人而言，我们的设备并不消耗很多电力，但累积起来确实如此。”“此外，谷歌和其他公司使用的这些大数据中心，仅运行这些数据中心就需要几座发电厂的规模。”

为了节约能源和制造更可靠的设备，Bahar和布朗大学的其他计算机工程师正在致力于开发更有效利用能源的计算机系统。巴哈尔说，做到这一点的关键是在硬件和软件两方面解决这个问题。对于软件来说，这意味着编写更有效利用计算机硬件资源的算法。硬件的设计需要巧妙地利用电力。

他们开发的一种方法是一个名为IgnoreTM的软硬件联合框架。该框架使计算系统能够选择性地忽略系统在较低电压下运行时出现的错误，而不会对精度造成不利影响。在对该框架的测试中，Bahar和他的同事们表明，它使系统能够在对性能影响最小的情况下减少47%的能耗。

在美国国家科学基金会(National Science Foundation)的支持下，工程学教授谢里夫?里达(谢里夫?全球数据中心的用电量约占全球总用电量的3%。电网上可用的电量在一天中变化很大，电网运营商有程序来管理这些电力高峰和低谷。对于数据中心来说，这有时意味着限制它们消耗的总电量。Reda的实验室开发了一个名为PowerCOORD的系统，该系统使用机器学习来优化服务器，使其在电力上限下运行，这可能有助于数据中心在满足性能要求的同时降低能耗。在2018年IEEE国际绿色与可持续计算大会上，一篇描述PowerCOORD的论文获得了最佳论文奖。

Bahar和Reda的努力都是限制我们的计算技术所需电量的新策略，在当今世界大部分电力仍然来自碳排放的化石燃料之际，这一点至关重要。

超级基金研究项目

纳米技术已经彻底改变了现代工程。在最小的尺度上，研究人员正在设计具有惊人性能的新材料和设备。特别是，像石墨烯这样的超薄材料在从电池到生物医学设备的所有领域都有潜在的用途。布朗大学的研究人员正在展望未来，评估这些新材料对环境和人类健康的长期影响。

布朗大学的研究人员已经证明，石墨烯微粒可以穿透人体细胞，这是一种潜在的安全隐患。工程学教授罗伯特•赫特(Robert Hurt)表示:“这些新的原子薄固体正在被广泛应用于新技术中。”“布朗大学正在开展跨学科研究，以了解它们对环境和人类健康的潜在影响，这对确保它们的安全开发和商业化至关重要。”

病理学和实验医学教授Agnes Kane使用了受伤组的材料，证明石墨烯超薄的边缘可以切割并破坏人类细胞。从那时起，他们致力于开发新的模型，以更好地理解这些材料如何与人体组织相互作用。最近，赫特、凯恩和他的同事提出了一个基于生物降解潜力对数百种二维纳米材料进行分类的框架。

赫特说:“了解这些材料的稳定性和生物降解性，有助于将它们应用到正确的领域，还会极大地影响它们对健康的潜在影响，以及如何评估风险。”

赫特的纳米安全工作是布朗超级基金研究项目的主要研究主题之一。该项目由美国国家环境卫生科学研究所(National Institute of Environmental Health Sciences)提供的1080万美元资助，旨在研究有毒物质暴露如何影响健康，以及如何控制或消除这些暴露。

病理学和实验医学教授Kim Boekelheide领导的一个超级基金项目，对有毒物质暴露对男性生殖系统的生理影响产生了新的见解。Eric Suuberg是一位工程学教授，他正在研究有毒物质释放的蒸汽如何从土壤中重新释放出来，进入污染地区或附近的建筑物，以及为什么很难预测这些建筑物的居民可能遭受的暴露程度。除了纳米安全方面的工作，赫特的团队还在利用纳米材料开发智能面料，制成透气的防护服，防止人体接触有毒化学物质。

最近，超级基金集团一直在研究单氟烷基和多氟烷基物质，即PFAS。从食品包装到消防泡沫，这些化学品被称为“永久化学品”，因为它们根本无法自然降解。在全国范围内，它们开始出现在供水系统中，并与癌症和儿童发育问题有关。

由社会学和环境科学教授斯科特·弗里克尔(Scott Frickel)领导的与超级基金有关的研究，利用老工业基地的位置来确定罗德岛的水源是否受到PFAS污染。布朗大学的研究人员随后与罗德岛州卫生部合作，对其中许多供水系统进行了测试。

名博士生菲比·库里斯(Phoebe Kurriss)正在罗德岛查理斯敦的一口井里取水，这是测试全州PFAS供水情况的一部分。流行病学副教授约瑟夫•布劳恩(Joseph Braun)的研究对摄入这些化合物对健康的影响产生了新的见解，表明摄入PFAS与儿童体内脂肪增加有关。Suuberg正在研究用于去除水中PFAS的活性炭，试图找出哪种活性炭效果最好，为什么会这样。去年加入工程系的库尔特·彭内尔(Kurt Pennell)正在研究消除PFAS地下水污染的策略，方法是收集化合物，然后销毁它们。

“你在土壤中形成了一道屏障，”佩内尔说。“受污染的地下水流过，浓缩了你想要去除的化学物质，然后干净的水流过。最终的目标是将这些材料集中在屏障中，然后将它们反应掉，我们正在利用一些工程纳米材料来做到这一点。”

赫特说，超级基金研究项目能够从多个不同的角度来研究PFAS，从了解其健康影响所需要的流行病学研究到纠正它所需要的化学和材料科学，这使布朗在PFAS研究中处于领先地位。

他说:“这是全国范围内新兴研究的一个主要领域，布朗大学正处于这个领域的中心。”

事实上，布朗大学工程学院深厚的专业知识和合作研究方法，使其成为众多能源和环境研究的中心。