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就算室溫超導真實現了,就能用于輸電、磁懸浮和核磁共振嗎?

來源:北京科技報    發布日期:2023-03-09 21:35:12   閱讀量:0

今天,很多人的朋友圈和公眾號都被“室溫超導”刷屏。近常壓室溫超導的文章可靠嗎?超導材料是什么?此項技術又有哪些應用可能?

撰文/張子立(超導材料博士、研究人員)   編輯/趙天宇

迪亞斯教授于2023年3月9日再次發表重磅文章,宣布了近常壓室溫超導的發現。(近常壓也是10kBar,就是1萬個大氣壓,大約1GPa。在做高壓的人眼里,這個壓力很容易到達,但是在日常生活中,這個壓力還是很高的)開始在網絡迅速發酵,炒作此物如何能夠改變生活,提到的應用都是輸電、磁懸浮甚至MRI(核磁共振成像)等公眾熟知的超導應用領域。那么,近常壓室溫超導材料真的能應用在我們身邊嗎?

雖然迪亞斯教授有兩次撤稿前科,但是本文不想討論這篇文章是否造假,所有一切討論,都是基于本文的數據真實可信的基礎上的。其次,本文不討論該發現對超導理論的意義進行討論,因為不屬于應用范圍。

結論在前,不論LuN1?δHε(網上有人稱之為鹵蛋氫,下文照搬)是否為真,他都不可能用于MRI和磁懸浮,用于輸電的工程實踐性也幾乎是零。

近常壓室溫超導的文章可靠嗎?

作為一個做了一輩子超導的人,室溫超導絕對是一個夢一般的東西。相比于之前撤稿的文章,這篇文章數據更加詳實,不僅包含了電測試,磁測試,甚至包括了比熱測試以及樣品的XRD,可算是真良心了。

從一個材料學專業的角度出發看,曲線似乎沒啥問題,前后邏輯很合理,一眼看過去,沒啥自相矛盾的地方。且由于這次測試的非常全面,讓我們對這個有了比較深刻的認識。鹵蛋氫是從金屬Lu箔加N和H獲得的,看樣子合成后的樣品也是固體,但是不知道是否還保持著金屬的特性??傊@篇文章披露的信息足夠豐富,也足夠應用領域判斷是否能夠使用。

超導材料應用基礎知識

超導材料的應用主要分為兩大類,一類叫強電應用,一類叫弱電應用。強電和弱電的區分主要是電壓,也就是大規模應用(對應強電)和芯片應用(對應弱電)。大規模應用就是我們經常在網上能看到的,輸電,核磁共振成像(MRI),磁懸浮列車以及對撞機等。

芯片應用一般是濾波器,SQUID等器件方面的應用。網上盛傳的這次的鹵蛋氫的應用,基本都集中于大規模應用方面,畢竟芯片應用在日常生活中幾乎看不到。

大規模應用,顧名思義需要大規模的超導材料,這需要超導材料具備兩方面的特性。

  1. 可相對容易的大規模制備。一般大型的MRI和磁懸浮列車所用到的超導材料都是公里級別的,對撞機甚至會用幾十公里級別的,而輸電則完全看距離長短了。

  2. 要有足夠的承載電流能力。由于這些大規模應用中使用的是超導材料的零電阻性,也就是在直流(輸電是工頻)下,損耗小的特點。這就能允許我們在更小的線圈中通入更大的電流,從而獲得更強的中心磁場。

大部分科普都提到了,超導是一種低于臨界溫度就會電阻消失的神奇材料。但是實際上,在臨界溫度之外,還有兩個參數分別是臨界電流密度和臨界磁場,所以大規模應用的超導材料一定要有高臨界電流密度,才能承載高的電流。同時,類似MRI、對撞機和磁懸浮,超導材料都是工作在特斯拉級別的磁場下的,這就要求超導材料具有較高的臨界磁場值。

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近常壓室溫超導材料的應用可能分析

根據上一段的描述,一個想用于輸電、磁懸浮和MRI的超導材料,高的轉變溫度僅僅是錦上添花的屬性,真正的要求是:可以簡單地大規模制備、有足夠大的臨界電流,且有足夠大的臨界磁場。

鹵蛋氫的這三方面性能是啥樣呢?

在制備方面,目前無法得知鹵蛋氫是不是還保持著金屬的特性,即優良的延展性。但是無論是否保存,鹵蛋氫的工作環境需要對其施加1萬個大氣壓(1GPa)。如何對這么一個長將近3米的大家伙均勻施加1GPa的壓力,幾乎是不可能的。

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電流承載方面,原文的圖3b展示了M-H曲線,我們可以通過經典的Bean模型去計算其臨界電流密度。我們大概可以得知,樣品的直徑應該是120,280,600微米,厚度是100微米??紤]到他提到了280600微米是低壓用的,而室溫的超導正是低壓出來的,所以我們取直徑為280或者600微米,那么體積就是6.16E-062.83E-05立方厘米。從圖中可以看出磁矩的絕對值最大值大概是1 emu以內,我們就去1 emu吧,可以輕松算的臨界電流密度是870A/cm288A/cm2@0.1T


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臨界磁場方面,同樣從圖3b中可以看出來,不可逆磁場大概也就0.5T左右。具體啥叫不可逆場呢,為啥不是臨界磁場呢?還是不解釋了吧,就是一個數值,過了這個數值,超導材料就不能用了。

根據以上的數據,我們可以初步看到,鹵蛋氫似乎不太適合用于大規模應用,也就是輸電、磁共振和磁懸浮等。下面我們通過列表比對目前被公認最好的超導材料之一REBCO(稀土鋇銅氧化合物)的性能,來進一步展示。從表格中可以輕易看出,三個指標上,REBCO完爆鹵蛋氫。

這里要指出,目前國際上產業化的超導成品中,NbTi這個最古老的超導材料占據超過95%的市場。在這三個指標上,NbTi未必很高,但是更加成熟好用。所以實際上,不論是對撞機還是MRI,絕大部分都采用的NbTi。

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結束語

近常壓室溫超導的發現(如果是真的)絕對是令人鼓舞的。但是由于其必須高壓下使用、很低的臨界電流密度和更低的臨界磁場,使得這個材料從根本上不可能用于輸電(需要大電流),MRI和磁懸?。ㄐ枰谳^大磁場下依然能承載較大電流)。室溫超導轉變固然是完美的屬性,但是超導的核心是因為零電阻,所以可以承載很大的電流。如果因為室溫而放棄電流承載能力,無異于買櫝還珠。

在弱電應用領域,弱電應用第一不需要承載大電流,第二不需要承受高磁場,第三對于一個厘米級別的東西施加GPa壓力是可行的。至少從這三個角度來說,弱電應用可能是鹵蛋氫的應用希望。

總之,鹵蛋氫的發現很可能是超導研究的里程碑,但是這種材料,甚至這類材料都不可能用于輸電和超導磁體。

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