超導的突破,恐怕還得指望東方神秘大國_風聞
超级学爸-超级学爸官方账号-一个位卑未敢忘忧国的吃瓜群众,毕业于中科大。03-10 08:41
昨天傳來一則消息,美國物理學年會上爆出了驚天大新聞,説是來自羅徹斯特大學的斯里蘭卡裔學者Dias團隊宣佈,他們實現了近環境壓強下的室温超導。

根據報告,他們的科研小組利用三元氫化物(N-Lu –H,氮-鑥-氫),實現了1Gpa(或1000Mpa)條件下20度室温的超導電性。
這一消息,在業界引起了軒然大波。因為如果這項科研成果是真的,將會在工業領域引起一系列革命性的技術變革,應用場景無限廣闊。
我們先看看什麼是超導。超導現象最早可以追溯到1911年。當時荷蘭的科學家昂內斯發現,在零下269度時,汞的電阻突然徹底消失(接近於零)。
當時他對這項發現感到很震驚,也預感到自己可能發現了一個聚寶盆,因為他認識到超導非常具有商業價值。
如果用超導電線輸電,電能傳輸損耗接近於零。電能是卓越的二次能源,電力的廣泛應用極大地改變了人類的生活面貌,讓人類文明實現了質的飛躍。
但是電能損耗,一直是困擾人類的問題。為了減少電能損耗,人類不得不加粗導線,又不得不在遠距離運輸時提高電壓,中國的特高壓技術,就是為了降低電力損耗。
中國的輸電技術是世界上最先進的,中國也是世界上銅消耗第一大國,但是中國的電力損耗一年也超過了1000多億度,相當於浪費掉了一個三峽。
印度沒有特高壓,平均輸配電損耗率高達22.7%,是世界上輸配電損耗最高的國家之一。這意味着印度發100度電,只有77.3度能送到用户端。
所以如果發現了常温下可以應用的超導材料,那還要啥特高壓?銅也能節省下不少,還能節省用地。而如果把超導材料用在用電器中,也可以大大降低用電器的電能消耗。
這是超導的第一個誘人的性質。第二個誘人的性質是完全抗磁性,也就是外加磁場無法進入超導內部,也就是磁感線(磁力線)無法穿過超導,內部磁場為零。
這是因為超導材料表面產生了無損耗的感生電流,這個電流相當於一個線圈(電磁鐵),產生了自己的磁場,跟外加磁場對着幹,並抵消了外加磁場。
這個性質有什麼用呢?那就是超導磁懸浮。也就是在一個超導下面放一個磁鐵,這個超導立刻也變身另一個磁鐵,強烈排斥身下邊這個磁鐵,於是就把自己給懸浮起來了。
磁懸浮這個性質很誘人啊,首先可以大大減少摩擦阻力。我們的汽車和火車,發動機發出的機械能,能量通過傳動裝置到了輪子,最終都是被摩擦力給消耗了。
汽車時速60公里行使時,有一半以上的能量損耗在了滾動摩擦上。當然速度越快,風阻的消耗就越大。如果車子懸浮起來,那就沒有滾動摩擦,這部分消耗可以省下來。
此外,無論是汽車還是火車,車輪引起的噪音問題也是影響出行舒適性的關鍵因素之一。但如果車子懸浮起來之後,就只剩下風噪了,這就是磁懸浮的另一大優勢。
所以磁懸浮在交通上大有可為。如果讓磁懸浮列車在真空管道中運行,那麼既沒有了滾阻也沒有了風阻,既沒有了胎噪也沒有了風噪,時速可達驚人的2萬公里。


這什麼概念?如果真實現了,意味着從北京到烏魯木齊只要幾分鐘的時間了,到莫斯科也只需要二十分鐘,到紐約大約40分鐘,真正實現物理世界的地球村。
超導的應用場景非常廣闊,只可惜這些美好的設想,都是建立在高温超導甚至是常温超導之上。因為如果沒有常壓常温超導,那麼維持超導材料的低温或高壓工作環境成本非常高。

然而理想是豐滿的,現實卻是骨感的,因為達到臨界温度成本實在是太高了。要想降低成本,必須找到高温超導,這個高温意思是高臨界温度,是相對於零下273度而言的。

於是,各國的科學家們開始了一項新的競賽,那就是尋找更高温超導材料。結果這一競賽一搞就是一百多年,難度不比可控核聚變小,一直是人類的科技前沿。
科學家們如何找,可不是漫無目的的大海撈針,而是一邊研究理論,一邊進行實驗。通過實驗,要麼完善原來的理論,要麼建立新的理論,雖然進步很艱難,但科學家從未停止前進的腳步。
這個斯里蘭卡裔的美國大學教授成果如果是真的,那的確值得可喜可賀。雖然還有一萬卡大氣壓,但畢竟已經把超導材料的臨界温度提升到了20度的室温。
一萬個大氣壓是個很大的壓強。高壓鍋中,也只是1.8個大氣壓;馬德堡半球實驗中,把兩個半球緊緊扣在一起的,也不足一個大氣壓。汽車輪胎中,也無非兩三個大氣壓,爆胎已經很恐怖了。
10米高的水柱底部,可以形成一個大氣壓的壓強。這意味着世界最深的馬裏亞納海溝溝底的壓強,也無非1100個大氣壓。
但是一萬個大氣壓,對於科學研究來説已經不算高了,工程上甚至可以實現了。比如常温儲氫鋼瓶,已經可以做到承受1000個大氣壓的工作環境了。
我們的包鋼集團,早在2019年就申請了一項發明專利,説是已經掌握了一種1000MPa(約一萬個大氣壓)級高強氣瓶用無縫鋼管的製備方法。

別説一萬個大氣壓了,十萬個工程上實現也不難,只要鋼瓶的外殼足夠厚,鋼瓶的承壓能力就越強,大不了上鈦合金。只要捨得用鋼用鈦合金,更結實的鋼瓶也不在話下。
但問題又繞回來了,因為我們找高温超導甚至室温超導的目的就是為了節省成本……給這一公斤超導材料,穿上100公斤的鋼外套,似乎又違背了初心。
但不管咋説,成果如果是真的,進步還是很大的,因為之前都是上百萬甚至幾百萬個大氣壓,這次一下子降了兩個數量級,可以説是長足進步,不過很難稱得上是質的飛躍。

這條研究路線是既有研究路線,也就是高壓超導體系的富氫化合物路線,並沒有理論上的突破,全球很多學者都在進行相關研究,大家都在刷記錄,這不過這次Dias步子邁的有點大。
但是我懷疑,這個成果壓根兒就是兑了水。第一,這個Dias有學術造假的前科,且還不止一次;第二,目前他們公佈的數據和材料依然是疑點重重。
Dias是個炒作輿論的高手。2017年,他們就宣佈在495GPa高壓下製造出了金屬氫,並發表在了頂尖期刊《科學》雜誌上。
科學成果的真偽,最重要的一個衡量標準就在於實驗的可重複性上。也就是按照你給的條件和參數,大家可以再現你的實驗結果,這是學術界的一項鐵律。
但是Dias的金屬氫的製備,不僅同行們沒有重複做出來,他自己也沒複製出來。有人問他要製備的金屬氫成品,他説由於保存不當消失了。這件事成了一項懸案。
2020年,他又發表了重磅論文,在270GPa條件下(約270萬個大氣壓),實現了氫化物的室温超導。可後續多個研究組也無法重複該實驗。
而且Dias 並未充分披露原始數據,論文疑點太多,遭到了同行們的一致抗議,最終他的論文也被《自然》雜誌撤稿。
鑑於Dias的多次前科,加上這次數據披露依然不夠充分,我們有理由懷疑這次科研成果嚴重注水,很可能是美國學術界的一次航天發射行動(放衞星)。

另外,我們逆向思維思考一下,這裏邊也有問題。假如,我是説假如,假如你研究出了一種實用性極強的常温超導材料,你會幹什麼?你還有功夫去公開發表成果嗎?
因此,公開的學術成果,註定離實際應用還非常遠,還需要同行們幫着找問題。一旦某項成果到了實用階段,肯定成了國家機密,至少是商業機密。
然而一次大概率注水的科研成果,只因為是在美國宣佈的,立刻引發了一羣恨國黨的高潮,他們一方面為美國歡呼,一方面對中國冷嘲熱諷。
然而他們只知其一,不知其二,更不知其三。他們只知道超導突破意義重大,不知道超導突破有多艱難,更不知道無論是超導的研究還是應用,中國都是世界領先。
超導的研究是非常艱難的,不然也不會100多年沒能找到常温常壓下的超導材料。這項研究,説是各國各科研組的競賽,其實也是一場人類團結一致攀登科學高峯的集體活動。
為什麼説是團結呢?因為大家誰有什麼理論,誰有什麼教訓,誰有什麼突破,都會公開發表在論文期刊上。大家集體完善理論,也等於集體判斷出一個大致的前進方向。
所以超導研究上的每一次巨大突破,都是全人類的好事,都會極大鼓舞相關研究人員的士氣,都會引發新一輪的研發高潮。
如果誰發現理論漏洞,或者發表自己失敗的教訓,等於給大家指出來哪有坑,大家可以躲一躲。從這個意義上,大家是攜手前進的。
當然也會有競爭,誰有原理上的突破,誰就能贏得同行的尊重,誰就能奠定自己的學術地位,甚至可以得各種科學大獎,可以爭取更多科研經費。
美國斯里蘭卡裔教授的這次科研成果,如果是真的,對中國學術界也是好事,我們也可以立刻跟進。而且,一個公開的事實,中國的超導研究走在世界前列。
超導現象發現於1911年,當時中國的辛亥革命還沒爆發。我們的超導研究,起步就比人家晚了幾十年,而且完全是白手起家,但是很快就追上了國際先進水平。
在人類的高温超導研究中,共有兩次高温超導的重大突破,而來自中國的科研團隊,都做出了關鍵性和決定性的貢獻,奠定了中國在超導研究中的領先地位。
而這兩次突破,都繞不開一個人,他就是中國超導研究的奠基人之一——趙忠賢。令蛋總感到驕傲的是,趙忠賢是中科大校友。趙忠賢是遼寧新民人,1941年生,1964年畢業於中科大。

他於上世紀70年代,開始從事高温超導的研究工作。但是超導領域研究,受到了傳統理論的束縛,普遍認為臨界温度不大可能超過40K(零下233度),這一温度被稱作麥克米蘭極限。
但是趙忠賢根據自己的研究判斷並發表論文,提出超臨界温度能夠突破這一極限,並達到了40K~50K,這在當時被認為是非常大膽的觀點。
10年後,趙忠賢團隊用實驗證了自己的判斷,突破了麥克米蘭極限,推翻了傳統理論,引發了物理學界的震動,在全世界引發了新一輪超導研究高潮。
1987年,趙忠賢團隊獨立發現了臨界温度93K的超導體,把超導臨界温度提高到了液氮區(氮氣的液化温度是77K,也就是零下196度),這一成果在學術界都炸鍋了。
美國物理學會特意給他弄了一場會議,並邀請他作詳細的講話。這場會議持續了整整八個小時。中國超導研究,開始躋身世界前列。當時有個説法,就是中日美超導大戰。
另一次突破是在2008年。他提出高温高壓合成結合輕稀土元素的方案,成功地將鐵基超導體的臨界温度提高到55K。而至今為止,這一紀錄始終還沒有人能打破。
趙忠賢這一路走來並不容易,因為上世紀七八十年代,我們國家的研究條件是極其艱苦的,沒有經費,沒有設備,用自制的爐子燒樣品。
但是趙老師心態很好,不怕苦不怕累,更不怕國外同行的高薪誘惑。就算是有了成果,也沒什麼架子。去美國開會回來,下了飛機就蹬三輪車幫家裏拉煤球。

2013年,趙忠賢憑藉鐵基超導的研究,獲得了國家自然科學一等獎。該獎寧缺毋濫,當時已經空缺了三年。2017年,趙忠賢獲得了國家最高科學技術獎。
一枝獨秀不是春。中國超導研究領域高人還有很多,比如中科大的陳仙輝院士團隊,還有南方科技大學校長薛其坤院士團隊,吉大馬琰銘和崔田教授團隊,電子科大喬梁教授團隊等等很多很多。

薛其坤院士,山東蒙陰人,1980年進入山東大學學習,1987年9月進入中科院物理研究所凝聚態物理專業讀研,2005年當選院士。
2012年他提出界面高温超導,2013年發現量子反常霍爾效應,開闢全新領域。2013年在高温超導機理研究中取得重大進展。

2014年,馬琰銘研究組首次預言硫化氫在160 萬個大氣壓有80K左右的超導電性,吉林大學的另一團隊崔田研究組預言H2S-H2化合物在高壓下可能實現101-204K的高温超導。
在富氫材料方面我國的研究者成果頗豐,預言了更多在高温高壓條件下氫化物超導的存在。而這個斯里蘭卡裔的美國教授團隊,其實也是沿着這個路子來的。

就在前幾天,電子科大傳來好消息,該校物理學院喬梁教授團隊在超導新材料研究領域取得重大突破,並發表在了《自然》雜誌上。
在應用層面,中國更是一騎絕塵。目前,全球超導第一大技術來源國為中國,中國超導專利申請量只佔全球超導專利總申請量的82.83%,其次是美國,佔了全球的6.65%。

除了專利申請,中國很多超導應用已經落地了。比如超導磁懸浮列車,又比如超導托克馬克裝置——位於合肥的人造太陽東方超環EAST。
關於高速磁懸浮列車,中國早就開始研究了,工程化樣車都要弄出來了,設計時速600公里,遠期時速1000公里。

除了這個,中國航天科工集團還在研究高速飛行列車,時速可達4000公里。只不過中國的科研團隊,只喜歡悶頭做事,不像馬斯克和Dias那麼張揚。
總之,蛋總希望人類科技能實現突破,也相信中國的科技工作者,一定不會讓大家失望。