科學突破有望延長電池壽命——《華爾街日報》

蘭加·迪亞斯博士在其羅切斯特大學實驗室中使用激光設備，他與團隊在此測試超導材料。圖片來源：《華爾街日報》Lauren Petracca美國科學家宣佈研發出首種可商業化的零電阻材料，該材料能消除電力傳輸中的能量損耗。這一突破可能帶來更持久的電池、更高效的電網以及更先進的高速列車。

零電阻的超導材料以往因需在約零下320華氏度的極低温與高壓環境下工作，實際應用極為受限。

羅切斯特大學研究團隊最新報告顯示，他們開發的新型超導體可在室温及遠低於既往材料的壓力條件下運行。

項目負責人、機械工程與物理學助理教授蘭加·迪亞斯表示，這一突破有望實現無損耗電網，併為未來核聚變反應堆提供更優更廉價的磁體。關鍵在於，常温常壓下工作的完美導體無需昂貴龐大的冷卻系統。

“我們可以讓列車在超導軌道上實現磁懸浮，改變電能的儲存和傳輸方式，並徹底革新醫學成像技術，”迪亞斯博士説道。

圖片：一種新型超導體

圖片來源：《華爾街日報》Lauren Petracca超導體展現了物理學家所稱的邁斯納效應，即材料會排斥其磁場。他補充道，如果將超導體靠近磁鐵，它就會懸浮起來。

2020年，他的團隊報告稱，他們創造出了一種由氫、硫和碳組合而成的超導體，能在接近室温的條件下工作。但問題是，它只有在被激光烘烤並用金剛石對頂砧裝置（一種設備）中的兩顆鑽石尖端擠壓到比地球中心還大的壓力後，才能發揮作用。

在這項新研究中，研究人員調整了他們的超導體配方——在氫中添加氮和一種名為鑥的稀土金屬，而不是硫和碳——並再次在金剛石對頂砧裝置中加熱和擠壓它。 該研究週三發表在《自然》雜誌上。

在觀察到材料在被壓縮時顏色從藍色變為粉紅色再變為紅色後，他們將這種材料命名為“紅物質”。迪亞斯博士説，這個名字的靈感來自2009年好萊塢大片《星際迷航》中虛構的形成黑洞的物質。

羅切斯特實驗室發現，“紅物質"可以在69華氏度（約20.5攝氏度）和14.5萬磅/平方英寸（psi）的壓力下存在——約為地核壓力的1/360。與2020年的前代成果相比，温度提高了約10華氏度，壓力降至約1/1000。

“這些成果是科學界的重大突破，得益於[迪亞斯博士]敏鋭的化學直覺，“塔拉哈西市佛羅里達州立大學國家強磁場實驗室的研究科學家斯坦利·託澤表示，他未參與此項研究。

託澤博士指出，雖然新壓力值仍遠高於海平面約15psi的環境壓力，但已進入"工程師可着手開發商業可行產品的範圍”，並補充説"這使超導技術具備了商業化可能”。工程師和材料科學家可通過芯片製造和鑽石合成等專業技術與設備實現約14.5萬psi的壓力。

“未來五年內我們將擁有含超導組件的設備，“研究合著者、拉斯維加斯內華達大學物理學家阿什坎·薩拉馬特表示。這意味着手機和筆記本電腦將減少運行耗電，且不會以熱能形式損耗能量——從而延長電池壽命。相同組件還可應用於電動汽車電池。

在羅切斯特大學的一次演示中，冷卻到極低温度的超導體懸浮在磁鐵上方。圖片來源：Lauren Petracca/《華爾街日報》薩拉馬特博士表示，能在日常温度和壓力下工作的超導體還有助於應對氣候變化等問題。

他説：“例如，超導電網可以無限期地儲存太陽能或風能，並在遠距離傳輸時不會造成損失。“美國能源信息署估計2017至2021年間，該國平均有5%的電力在輸配電過程中損耗。更高效的能源存儲和傳輸意味着整體能耗降低，從而減少碳排放。薩拉馬特博士指出，超導體還可能為開發更廉價、更高效的核聚變裝置鋪平道路——核聚變長期以來被視為清潔、近乎無限的潛在能源。

核聚變反應通過原子結合釋放巨大能量，過程中不會產生放射性廢物或温室氣體。多數聚變裝置依賴磁場約束反應——而超導體能產生最強的磁場。問題在於維持超導體低温所需的大型昂貴冷卻設備。迪亞斯博士表示，像"紅物質"這樣能在室温下產生強磁場的超導體，可能在未來十年左右徹底改變聚變反應堆的建設進程。

薩拉馬特博士表示，非侵入性醫學影像也能從近常温條件下工作的超導體中受益。大多數磁共振成像（MRI）設備依賴超導磁體，這些磁體通過讓電流流經超導線圈產生磁場。他提到，這些線圈需用液氦冷卻——這種稀缺且昂貴的資源限制了MRI系統的部署場所。室温超導體有望實現更小型化、便攜式的MRI設備，無需持續冷卻。

“這些都是重大工程突破，雖不會明天就實現。但隨着此類發現及其類似成果的出現，未來十年左右將逐步看到應用，“他説道。

儘管迪亞斯博士的研究展現出前景，其團隊過往工作曾受到科學界質疑。他們2020年關於另一種室温超導體的研究已被《自然》期刊撤稿，因其他學者無法復現結果，並對材料邁斯納效應數據的有效性提出質疑。

日內瓦大學物理學家德克·範德馬雷爾（未參與新研究或迪亞斯其他工作）是對2020年數據提出質疑的學者之一。

迪亞斯博士稱，在伊利諾伊州阿貢國家實驗室和紐約布魯克海文國家實驗室的科學家見證下，團隊重新採集數據後，已將被撤論文重新提交給《自然》。他補充道，團隊在新論文的同行評審過程中已公開所有關於"紅物質"的數據。

儘管範德馬雷爾博士表示，這項新研究似乎恰當地展示了"紅物質"中的效應，但他表示對整個事情感到"極度不安”。

他補充説：“類似的問題可能潛伏在數據中”。

伊利諾伊大學芝加哥分校物理和化學教授拉塞爾·赫姆利表示，其他研究小組已經證實了在室温下使用富含氫的材料實現超導性的想法。赫姆利博士沒有參與這項新研究，但曾與迪亞斯博士在其他項目上合作過。

赫姆利博士説：“因此，即使對他們早期論文中數據呈現方式存在擔憂，這些結果也不應該受到質疑。”

迪亞斯博士表示，他的團隊已經在考慮調整他們的"紅物質"配方，試圖在更高的温度和更低的壓力下實現超導性。

研究生們在羅切斯特大學迪亞斯博士的一個實驗室裏，致力於創造和分析新的超導材料。照片：J. Adam Fenster/羅切斯特大學迪亞斯博士説，一個想法是將其他類似於鑥的稀土元素加入混合物中，儘管這些稀有元素價格昂貴。他希望嘗試一種不同的方法——可能是鋁加上一點其他物質——這種方法制造成本更低，並且可以模擬鑥的效果。

該團隊將開始使用機器學習來選擇他們的下一個超導體配方。他們正在利用這項新工作和之前實驗的數據訓練算法，以幫助人工智能更好地預測氫和其他元素的哪些組合可能產生超導材料。

“大自然母親允許我們通過不同途徑達到這些非凡的超導狀態，這非常了不起，”薩拉馬特博士説道，並補充道，將壓力降至零是該團隊的下一目標。

迪亞斯博士表示他有信心實現這一成就：“這只是時間問題。”

聯繫艾琳·伍德沃德，郵箱：[email protected]

刊登於2023年3月9日印刷版，標題為《新型超導體被稱為突破性發現》。