“中國温度”惠及世界（2024年終系列報道·科技篇④）
中國新一代可控核聚變大科學裝置“中國環流三號”。新華社發
具備干預温度的能力，突破自然温度的束縛，對人類發展產生了極其深遠的影響，火的利用甚至被看作人類文明進步的重要標誌之一，不僅極大改善了人類的生理狀態，促進了社會性交往，而且催生了陶器的燒製和青銅、鐵器的冶鑄，極大推動了社會生產力的進步。進入現代社會之後，人類對温度進行干預和控制的能力顯著提升，各種制熱和製冷科技創新發展，不斷刷新人造超高温和超低温的紀錄，不斷製備出耐高温和抗低温新材料，促進能源結構乃至人類生產生活方式發生巨大變革。
2024年，中國科技工作者繼續在温度控制與干預方面取得重大創新成果，不斷創造和刷新“中國温度”紀錄，不斷製備出耐高温、抗低温新材料等，彰顯中國科技的創新活力和為增進人類福祉所作出的卓越貢獻。
推進“人造太陽”技術創新
創新可控核聚變技術，模仿太陽內部發生的核聚變反應，在地球上“造個太陽”，獲得源源不斷的能源，是國際科學界從上世紀80年代中期開始就致力於實現的目標，併為此實施國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。中國從成為ITER計劃成員後，就為推進該計劃付諸努力，特別是承擔了約20個採購包的製造任務，涉及磁體支撐系統、磁體饋線系統、電源系統、輝光放電清洗系統、氣體注入系統、可耐受極高温的反應堆堆芯“第一壁”等核心關鍵部件。
11月29日，最新一批由中國公司承製的ITER部件——包層屏蔽模塊首批產品從廣東廣州運往法國，這是全球首發的包層屏蔽模塊，標誌着中國在聚變堆建造所需的關鍵技術方面取得了重要進展。包層屏蔽模塊屬於ITER裝置堆芯核心部件，好比爐膛“耐火磚”，保護真空室及外圍設備和人員免受輻射危害，確保反應堆穩定運行，是聚變堆建造的關鍵部件之一。
此次運送的模塊產品由中國東方電氣集團有限公司與中國核工業集團有限公司西南物理研究院合作研製。在歷時多年研製期間，雙方聯合科研團隊全面攻克高温真空環境下高精度氦檢漏技術、不鏽鋼板單面焊雙面成型技術等一大批重大關鍵技術難題。
在ITER安裝工作中，中方在2024年也作出了重要貢獻。2月29日，中國核工業集團有限公司牽頭的中法聯合體與ITER組織正式簽署了真空室模塊組裝合同。這是中國在成功安裝國際熱核聚變實驗堆“心臟”設備之後，再次承擔其核心設備的安裝任務。真空室模塊組裝是目前ITER項目最重要設備在關鍵路徑上的工作，對整個項目的成功起到至關重要作用。
在積極參與ITER計劃的同時，中國科學家也在自主設計研製可控核聚變大科學裝置並取得科研突破。6月，中國新一代“人造太陽”即“中國環流三號” 項目傳出捷報，在國際上首次發現並實現了一種先進磁場結構，對提升核聚變裝置的控制運行能力具有重要意義。這標誌着中國在可控核聚變領域取得重要成果，將進一步促進全球清潔能源技術的發展。
發現鎳基高温超導新材料
超導體即超導材料，指在某一温度以下，兼具絕對零電阻和完全抗磁性兩個獨立特性的超級導體，在電力傳輸、磁懸浮列車、醫療成像設備等領域具有十分廣泛的應用前景。然而長期以來，超導材料必須依賴極低温環境才能實現超導電性，尋找新型高温超導體材料一直是科學家孜孜以求的目標。
今年7月和10月，國際學術期刊《自然》接連發表了兩篇關於超導的重要論文，前者由3箇中國團隊合作完成，證實了鎳氧化物中具有壓力誘導的體超導電性，為人們理解高温超導機理提供了新的視角；後者由多箇中外研究團隊合作完成，發現在一種雙鎳氧層鈣鈦礦材料中，實現了塊體高温超導電性，並揭示了鎳基高温超導體的結構起源，這一成果對於鎳基高温超導材料的進一步優化設計與合成具有重要指導作用，有望推動鎳基高温超導體的研究進程。
在鎳基超導研究方面，中國科學家之前就已經作出了開創性貢獻。2023年7月，《自然》刊發了中國中山大學的王猛教授團隊主導的一項研究成果：首次發現液氮温區鎳氧化物超導體。這是中國科學家在全球率先發現的全新高温超導體系，是人類目前發現的第二種液氮温區非常規超導材料，是基礎研究領域“從0到1”的突破，對推動破解高温超導機理，對設計和預測高温超導材料提供了更多可能性。
經過不懈努力，中國科學家在鎳基超導體研究中率先獲得重要進展，不僅發現了多個鎳基超導體系，而且詳細研究了材料的宏觀和微觀物性，提出了多個可能的理論模型，促進了對該領域的研究，以鎳基超導體壯大了高温超導材料“家族”。
製備耐高温難熔合金材料
7月3日，中國科學院空間應用工程與技術中心發佈消息，中國西北大學一個研究團隊通過中國空間站開展的高性能難熔合金研究獲得重大突破，成功獲取難熔合金熔體的關鍵熱物理性質，在空間凝固製備方面取得多項科學新發現。相關成果已發表於《先進材料》等國際學術期刊。
該研究團隊此次研究的合金材料包括鈮合金。鈮是種難熔金屬，熔點超2400℃，是目前人類已知最耐高温的材料之一；該金材料具塑性好、加工和焊接性能優良等特點。
在地面環境中，鈮合金等難熔合金研究長期受重力、容器等條件制約，難熔合金液態性質的精確測定與快速凝固合成製備存在極大困難。而中國空間站提供了理想的微重力環境，實驗櫃利用靜電場所提供的電場力，可使材料樣品在真空環境中保持穩定懸浮狀態，避免與容器壁接觸的影響，進行金屬、非金屬等無容器深過冷凝固和熱物理性研究。
中國科學家在鈮合金等難熔合金研究方面的突破再次證明，中國空間站作為國家太空實驗室具有極高的科研價值，為科研人員提供了獨特的微重力、高真空、超潔淨的環境，完成一些在地球上無法實現的科學實驗和技術試驗，製備新型材料、培養新型蛋白質、觀察新型物理現象、探索新型化學反應，將推動空間製造、空間資源開發等高科技產業發展。
研發出抗超低温電池
動力電池技術推動了汽車行業的低碳化和智能化發展，然而在低温環境下，電池容量和續航里程明顯下降，同時放電效率也會變慢，給駕乘者造成“里程焦慮”，也影響汽車運行性能，因此科學家一直在研製抗低温甚至抗超低温的電池。
2024年初，中國科學院大連化物所的陳忠偉團隊成功研製出了一款抗超低温特種鋰離子電池，能在-60℃的超低温環境下穩定運行，能量密度達到每千克260瓦時。在-60℃、0.5C（電池以其額定容量0.5倍的電流進行放電）運行條件下，放電容量可達80%以上；-40℃、0.5C運行條件下，放電容量可達95%，循環壽命超過500次，性能達到國際領先水平。該電池採用新一代複合電解液、多層複合電極結構及新型半固態電解質，極大地提升了低温條件下的離子電導率和界面性能，同時採用多層複合電極結構結合新型半固態電解質及改性活性材料，增加了電極和電極表面結構的穩定性和導電性，從而有效地提升了電池在低温下的性能。
11月23日，中國科學院大連化物所發佈消息稱，陳忠偉團隊的抗低温電池技術獲得應用突破，以該技術為支撐研發的高比能寬温域鋰離子電池可在-40℃至60℃的寬温域環境中穩定工作。該款電池成功適配一款新型工業級複合翼無人機，順利完成試飛。在試飛過程中，無人機順利完成起飛、爬升、高速巡航、降落等測試環節，高質量完成了3小時飛行試驗，驗證了高比能鋰電池的高效能量儲備能力與運行穩定性。
創新無液氦極低温製冷
在一些科研領域，比如深空探測、材料科學、量子計算等，會用到極低温環境，需要極低温製冷技術提供支撐。長期以來，獲得極低温主要利用液氦來實現，但自然界中氦元素較為稀缺，如何不用氦元素實現極低温製冷，獲得極低温環境，成為科學界攻關的一大難題。
1月，中國科學家在《自然》在線發表一篇關於極低温製冷技術的論文，首次在鈷基三角晶格磁性晶體中發現量子自旋超固態存在的實驗證據，利用該晶體，通過絕熱去磁獲得-273.056℃極低温，實現無液氦極低温製冷。
超固態是物質在接近絕對零度即-273.15℃時呈現的一種量子態，物質此時既有晶體態中原子規則排布的特徵，又可像超流體一樣，無摩擦地流動。磁性材料隨外磁場變化可產生顯著温度變化，因此利用特殊磁性物質，通過絕熱去磁而製冷。中國科研人員歷時約3年，克服了極低温下的漏熱控制與温度測量等諸多難題，研發出新型低温測量器件，最終實現了-273.056℃極低温。
上述成果是基礎研究的一項重大突破，將其轉化成實際的器件和製冷機雖然還要克服科學和工程技術的巨大挑戰，還有很長的路要走，但是為國際科學界提供了重要啓發和思路，進一步促進該領域研究深入開展。（本報記者 張保淑）
《人民日報海外版》（2024年12月16日 第 09 版）