第10版:能源革命

中国能源报 2023年03月13日 星期一

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“蓝色晶体”点燃“室温超导”希望

有望给电力传输系统带来革命性突破

■本报记者 王林 《 中国能源报 》( 2023年03月13日   第 10 版)

  “室温超导”这一终极梦想即将照进现实?3月8日,美国罗彻斯特大学机械工程系和物理与天文系助理教授兰加·迪亚斯在美国物理学会会议上宣布找到了一种名为三元镥氮氢体系的新材料,这种拥有蓝色光泽的晶体可实现“室温超导”。

  这是迪亚斯团队继2020年发表类似研究论文被撤稿后的卷土重来。相比被撤研究报告,这次实验结果的压强条件从267Gpa(约为267万个大气压—编者注)大幅降至1GPa。虽然1GPa在现实情境中难以实现,但如果这次实验结果得到证实,无疑意味着实现了室温和接近环境压力下的超导性。

  业内认为,如果这一研究成果成功落地,将在电网、计算机等领域掀起一场革命性变革。什么是“室温超导”?与超导存在什么联系?这一研究结果将对物理界、能源界乃至整个科学界带来哪些影响?

  作为终极梦想的“室温超导”

  一切要从超导说起。超导是指导体在某一温度下电阻为零的状态。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的电能损耗,而利用超导体则可以最大限度地降低损耗,但迄今临界温度较高的超导体尚未进入实用阶段。

  《每日科学》指出,许多自然存在的元素和矿物质,如铅和汞,都具有超导特性。当前,一些现代设施都使用具有超导特性的材料,包括核磁共振成型机、磁悬浮列车等。

  通常情况下,材料的超导性发生在低温或高温高压环境下,而科学界一直寻求找到或创造出可在非加压室温环境中相互传递能量的材料,也就是所谓的“室温超导”。如果超导体在室温下的效率能够大规模应用,将为工业、商业和交通创造更高效的电力传输系统,这无疑将是一次革命性的突破。

  内华达大学拉斯维加斯分校物理学家阿什坎·萨拉马特指出,室温条件下的超导体是超导研究人员的终极梦想。零电阻的电路几乎没有热损耗,使用超导体材料进行长距离大容量输电,能极大地减少能量浪费、提高能源利用效率。用超导体制作超大规模集成电路,能解决散热问题,提高运算速度。

  最新研究成果仍受质疑

  根据英国《自然》发表的迪亚斯团队最新研究成果,这种三元镥氮氢体系的新材料,可以在20.5摄氏度的室温条件下、加压到1Gpa的情况下出现超导现象。不过,有鉴于2020年研究被迫撤回,业内对这次研究结果持保守观望态度。

  2020年,迪亚斯团队宣称在实验室将氢、碳和硫元素在金刚石压腔中通过光化学合成简单的碳质硫氢化物,并将其超导临界温度提升至15摄氏度,这是人类首次观察到室温超导体。然而,多个科研团队尝试复制这一实验结果均以失败告终。《自然》最终以“数据处理方式有问题且实验结果一直未能被成功复现”为由于2022年9月撤稿。

  有美媒报道称,迪亚斯团队2020年的研究配方含糊不清且不完整,有研究小组尝试了6次也没能复现,迪亚斯团队之后以“自己的实验设备坏了”为由予以搪塞。

  卡内基科学研究所物理学家亚历山大·冈察洛夫表示:“目前只是看起来可信。”佛罗里达大学物理学家詹姆斯·哈姆林则表示:“我认为他们必须做一些实际工作,让科学界更为相信。”

  加州大学圣地亚哥分校物理学家豪尔赫·赫希说得更直率:“我怀疑(这个新结果),因为不信任他们。”他认为该团队上一次的数据不是来自实验室而是伪造的。

  对此,迪亚斯表示,最新研究成果在实验室重复了几次,并有第三方观察和独立的工作验证,而且论文已经经过了同行审议,符合《自然》的严格标准;“目前只是理论上可行,距离真正应用还有很长的路要走。”

  超导科研探索任重道远

  哈姆林感叹:“如果(迪亚斯)这次正确,将是完全革命性的成果。”他透露,“室温超导”是科学界追求了一个世纪之久的梦想,现有的超导体需要昂贵而笨重的冷却系统来实现无摩擦导电,但室温超导材料可以带来高效电网和计算机芯片,以及磁悬浮列车和核聚变动力所需的超强力磁铁。

  迪亚斯团队究竟是距离“室温超导”仅一步之遥,还是又一起乌龙事件,有待科学界的进一步研究和证实。其实,还有很多科研团队和小组在超导研究的道路上埋头苦干,超导科研探索任重道远。

  《超导与新磁》期刊指出,虽然自然界中的许多元素和矿物质比如铅和汞都具有超导特性,但通常需要在低温或高温高压环境下才能发挥作用。即便如此,为减少电力浪费,许多研究团队仍在努力寻找可在非加压室温下得到大规模应用的超导材料。

  哈佛大学德克萨斯超导中心创始主任兼首席科学家保罗·朱(Paul Chu)和研究助理教授梁子邓(Liangzi Deng,音译)选择硒化铁进行实验,因为其结构简单,加压环境中超导临界温度相对较高。他们开发了一种压力淬火工艺(PQP),首先在室温下对样品施加压力以增强超导性,然后将其冷却到选定的较低温度,之后完全释放所施加的压力,同时仍可拥有很强的超导性能。

  这是PQP首次被用于在大气压力下保持高温超导体中的高压增强超导性。保罗·朱表示:“传输过程中浪费了大约10%的电力,如果改用超导体来传输电力,即使跨越数千英里,也有望实现零浪费,可以说将彻底改变全世界的交通和电力传输系统。”