当亚历山大·奥布莱恩 (Alexander O'Brien) 向麻省理工学院核科学与工程系递交研究生申请时，他已经萌生了一个研究想法的萌芽。因此，当他接到李明达教授的电话时，他分享了这样的信息：这位来自阿肯色州的学生想要探索可以将核反应堆固定在一起的材料设计。
李耐心地听了他的话，然后说：“我认为你非常适合李居教授，”奥布莱恩回忆道。巴特尔能源联盟核工程教授李巨曾想探索核反应堆的 3D 打印技术，而奥布莱恩似乎是合适的人选。“那一刻，如果麻省理工学院录取我，我就决定去那里，”奥布莱恩回忆道。
他们做到了。
在李巨的建议下，这位四年级博士生现在正在探索陶瓷金属复合材料的 3D 打印，这种材料可用于建造聚变发电厂。
对科学的早期兴趣
奥布莱恩在阿肯色州斯普林代尔长大，自称为“乐队书呆子”，他对化学和物理特别感兴趣。将小苏打和醋混合形成“火山”是一回事，而了解为什么会发生这种情况则完全是另一回事。“我只是喜欢更深入地理解事物，并能够弄清楚世界是如何运作的，”他说。
与此同时，很难忽视他自家后院的能源经济学。当阿肯色州这个几乎从未发生过地震的地方在邻近的俄克拉荷马州发生水力压裂后开始记录地震时，对奥布莱恩来说“就像灵光一现”。“我知道这会带来问题，我知道必须有更好的方法来处理[能源]，”他说。
随着替代能源的想法逐渐搁置，奥布莱恩进入阿肯色大学攻读本科课程。他参加了学校的军乐队——“你比其他人早一周出现，有 400 个人会自动成为你的朋友”——并享受大型公立学校可以提供的社交环境。
奥布莱恩主修化学工程和物理学双学位，他很欣赏“亲手操作机器使事情运转的能力”。奥布莱恩决定开始探索他对替代能源的兴趣，他研究了过渡金属二硫化物，其涂层可以催化析氢反应并更容易产生氢气，这是一种绿色能源替代品。
然而，就在大二结束后不久，奥布莱恩真正在替代能源领域——核工程领域找到了自己的出路。美国化学会正在征集学生申请在加利福尼亚州圣何塞进行核化学暑期学习。奥布莱恩申请并被接受。“多年来我知道自己想从事绿色能源工作，但不知道它是什么样的，但我很快就爱上了[核工程]，”他说。那年夏天也坚定了奥布莱恩攻读研究生的决定。“我得出这样的想法：‘我需要去读研究生，因为我需要更多地了解这一点，’”他说。
奥布莱恩特别欣赏作为夏季计划一部分的一个独立项目：他选择研究核动力航天器。在深入研究中，奥布莱恩发现了为航天器提供动力的挑战——核能是最可行的替代方案，但它必须避开太空中的外来辐射源。探索圣何塞附近的国家实验室最终达成了协议。“我参观了国家点火设施，这是那里的大型核聚变中心，看到这个完全围绕核聚变理念设计的大型设施就让我感到震惊，”奥布莱恩说。
聚变发电厂的新蓝图
奥布莱恩目前在麻省理工学院核科学与工程系 (NSE) 的研究同样令人兴奋。
奥布莱恩说，随着新型聚变装置的设计开始启动，越来越明显的是，我们一直使用的材料无法承受操作环境中的更高温度和辐射水平。增材制造是 3D 打印的另一个术语，“为金属的应用开辟了全新的可能性领域，而这正是您[建造下一代聚变发电厂]所需要的，”他说。
金属和陶瓷本身可能无法承受高温（目标是 750 摄氏度）、应力和辐射，但它们组合在一起可能会达到这些目的。奥布莱恩说，尽管这种金属基复合材料已经存在了几十年，但它们在反应堆中使用并不切实际，因为它们“很难以任何均匀性制造，而且尺寸确实有限”。这是因为当你尝试将陶瓷纳米粒子放入熔融金属池中时，它们会向任意方向掉落。“3D 打印很快就完全改变了这个情况，如果你想在非常特定的区域添加这些纳米粒子，你就有能力做到这一点，”奥布莱恩说。
奥布莱恩的工作涉及用陶瓷纳米粒子植入金属，这是他的博士论文和《增材制造》 杂志上的一篇研究论文的基础 。最终结果是金属基复合材料是聚变装置的理想候选者，特别是真空容器组件，它必须能够承受高温、腐蚀性极强的熔盐和核嬗变产生的内部氦气。
O'Brien 的工作重点是 Inconel 718 等镍高温合金，它们是特别坚固的候选材料，因为它们可以承受更高的工作温度，同时保持强度。氦脆（聚变中子引起的氦气泡会导致脆弱和失效）是 Inconel 718 的一个问题，但复合材料表现出克服这一挑战的潜力。
为了制造复合材料，首先通过机械铣削工艺将陶瓷涂覆到金属颗粒上。陶瓷纳米粒子充当增强剂，尤其是在高温下，并使材料的使用寿命更长。均匀分散时，纳米颗粒还会吸收氦气和辐射缺陷，从而防止这些损伤剂全部到达晶界。
然后，复合材料经过称为粉末床熔合（非核聚变）的 3D 打印过程，其中激光穿过粉末床，将其熔化成所需的形状。“通过用陶瓷涂覆这些颗粒，然后仅熔化非常特定的区域，我们可以将陶瓷保留在我们想要的区域，然后就可以构建并具有均匀的结构，”奥布莱恩说。
打印令人兴奋的未来
核材料的 3D 打印展现出了如此大的前景，以至于奥布莱恩在博士研究结束后正在考虑追求这一前景。“这些金属基复合材料的概念以及它们如何增强材料性能非常有趣，”他说。他正在考虑通过一家初创公司扩大其商业规模。
目前，奥布莱恩正在享受研究，并偶尔与妻子一起观看百老汇演出。虽然这位乐队迷不再经常拿起萨克斯管，但他确实喜欢开车去新罕布什尔州背包旅行。“这是我新发现的爱好，”奥布莱恩说，“自从我开始读研究生以来。”