還記得《阿凡達(dá)》里的潘多拉星球嗎?那里有著富饒的室溫超導(dǎo)礦石——Unobtanium,它足以讓一座座大山懸浮在空中。人類不惜一切代價(jià)也要掠奪過(guò)來(lái)。這足以說(shuō)明,室溫超導(dǎo)材料堪稱無(wú)價(jià)之寶。
自韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)宣布成功合成了世界上第一個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體LK-99,“室溫超導(dǎo)”無(wú)疑是近期全球最熱門的話題之一。該事件引起全球廣泛關(guān)注的同時(shí)質(zhì)疑聲隨之而來(lái),掀起一股驗(yàn)證“復(fù)現(xiàn)潮”。為何該項(xiàng)研究會(huì)令全球?yàn)橹序v?
超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。如今距離1911年荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超導(dǎo)體(金屬汞Hg)已經(jīng)過(guò)去了112年,自發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體以來(lái),100多年的時(shí)間里,科學(xué)家們一直在尋找室溫超導(dǎo)體。
什么是室溫超導(dǎo)?
室溫超導(dǎo),指的是在地球室溫環(huán)境下(通常默認(rèn)是300 K,也即27℃)就能夠?qū)崿F(xiàn)零電阻和完全抗磁性的超導(dǎo)材料。也就是說(shuō),室溫超導(dǎo)材料對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)臨界溫度必須在300 K以上。
尋找室溫超導(dǎo)材料,有三條路可以嘗試:(1)合成新的材料;(2)改進(jìn)現(xiàn)有材料;(3)特殊條件調(diào)控材料[1]。顯然第二條路相對(duì)而言更容易實(shí)現(xiàn),即對(duì)高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行化學(xué)摻雜等改造,以期獲得更高臨界溫度的超導(dǎo)體。而合成新材料是最難的。
開(kāi)啟人類新紀(jì)元
你知道,室溫超導(dǎo)如果真的被發(fā)現(xiàn),會(huì)給人類帶來(lái)多大的改變?
有人分析認(rèn)為,如果室溫常壓超導(dǎo)最終實(shí)現(xiàn)商用,其巨大的價(jià)值很有可能開(kāi)啟第四次工業(yè)革命,開(kāi)啟人類新紀(jì)元。毫不夸張地說(shuō),能與之相提并論可能是人類學(xué)會(huì)用火、人類發(fā)明了蒸汽機(jī)和人類發(fā)明了電。
“室溫超導(dǎo)”帶來(lái)的無(wú)損世界猶如科幻電影。
電力輸送將不再出現(xiàn)損耗,不再需要變電站,輕松實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離無(wú)損耗輸電,產(chǎn)能和利用效率將會(huì)大大提升,全球的電力系統(tǒng)或?qū)⒅亟āD茉锤窬謱⒏淖儯揽渴秃吞烊粴獾膰?guó)家將失去核心競(jìng)爭(zhēng)力。
交通方式徹底改變。磁懸浮列車普及,高鐵成為過(guò)去式,交通效率得到飛躍式提升;燃油汽車被電動(dòng)汽車取代,高效的能源存儲(chǔ)讓電動(dòng)汽車充電五分鐘就能跑幾千公里。
所有電子產(chǎn)品不再出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象、無(wú)需考慮散熱問(wèn)題,電阻損耗問(wèn)題得到解決,電池體積能變得更小。手機(jī)充電一次就能待機(jī)兩年甚至到報(bào)廢。手機(jī)也能擁有小型超算能力,算力的瓶頸將被突破,人工智能和數(shù)字技術(shù)將迎來(lái)爆發(fā)式發(fā)展。
超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)常溫應(yīng)用,如超導(dǎo)發(fā)電、超導(dǎo)電器、量子計(jì)算機(jī)、磁懸浮交通......將使整個(gè)人類社會(huì)產(chǎn)生重大改變,現(xiàn)有的科技可能面臨顛覆。
再掀驗(yàn)證“復(fù)現(xiàn)潮”
在韓國(guó)團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)LK-99的3個(gè)多月前,就有一位羅切斯特大學(xué)的Ranga Dias教授宣稱自己實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo),但兩個(gè)月后,就被南京大學(xué)聞海虎教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文給推翻,Dias的文章之后也被撤稿。
如今韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)宣布實(shí)現(xiàn)了室溫常壓超導(dǎo),面臨各界的質(zhì)疑。Ranga Dias之前在《Nature》上通過(guò)評(píng)審正式發(fā)表了論文,事前還在美國(guó)物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議上作出正式的學(xué)術(shù)報(bào)告,而韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)只是在學(xué)術(shù)預(yù)印本平臺(tái)arXiv上傳了一篇文章。據(jù)媒體報(bào)道的最新消息顯示,韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的成員表示,論文存在缺陷,系團(tuán)隊(duì)中的一名成員擅自發(fā)布,目前團(tuán)隊(duì)已要求下架論文。
在此之前,宣稱實(shí)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)體”的研究有很多:
2016年,Ivan Zahariev Kostadinov聲稱找到了臨界溫度為373 K的超導(dǎo)體,但沒(méi)有公布這個(gè)超導(dǎo)體的成分結(jié)構(gòu)[2];
同年,一隊(duì)科研人員聲稱在巴西某個(gè)石墨礦里找到了室溫超導(dǎo)體,并且做了相關(guān)研究并正式發(fā)表了論文[3];
2018年,2位印度的科研人員聲稱在金納米陣列里的納米銀粉存在236 K甚至是室溫的超導(dǎo)電性,并且有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。
......
這些所謂的“室溫超導(dǎo)體”都沒(méi)能被重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,很難經(jīng)得住推敲和考證。
據(jù)悉LK-99是由鉛磷灰石稍加變動(dòng)的六方結(jié)構(gòu),引入了少量的銅。
目前,專業(yè)人員普遍認(rèn)為L(zhǎng)K-99的制備過(guò)程似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單。樣品合成過(guò)程具體可概括為三個(gè)步驟:
①將氧化鉛和硫酸鉛粉末以各50%的比例在陶瓷坩堝中均勻混合,然后將混合粉末置于725℃的爐中加熱24小時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
②將銅和鉛粉末按比例在坩堝中混合,合成磷化亞銅;讓混合后的粉末處于相應(yīng)的真空封管狀態(tài)下,然后置于爐內(nèi)550℃加熱48小時(shí)。在此過(guò)程中,混合材料發(fā)生相變,形成磷化亞銅晶體。
③將上述兩步所得物質(zhì)磨成粉末,并在坩堝中混合,再將混合粉末真空封管,置于925℃的爐中加熱5~20小時(shí)。
摘自韓國(guó)科學(xué)家論文
混合粉末反應(yīng)轉(zhuǎn)化為最終材料,即一種灰黑色的銅摻雜的鉛-磷灰石,這種多晶材料也就是其團(tuán)隊(duì)命名的LK-99。
鑒于上述新材料制備簡(jiǎn)單,目前已有其他研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn):
北航的研究人員稱實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的LK-99樣品X射線衍射圖譜和韓國(guó)團(tuán)隊(duì)一致,但未發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性;
美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)研究員使用了密度泛函理論(DFT)和GGA+U方法進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果顯示,LK-99可能存在超導(dǎo)性能;
華中科技大學(xué)研究人員初步復(fù)現(xiàn)韓國(guó)室溫超導(dǎo)材料,已證明抗磁性,還未證明超導(dǎo)性。
......
總結(jié)LK-99首批重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:理論可行但未復(fù)現(xiàn)懸浮或超導(dǎo)。
其他研究組的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在路上,很快重復(fù)實(shí)驗(yàn)就將揭曉謎底。若LK-99被復(fù)現(xiàn)成功,這將是超導(dǎo)領(lǐng)域革命性的進(jìn)步。
不過(guò)即使LK-99室溫下超導(dǎo)性真的被驗(yàn)證存在,室溫超導(dǎo)材料從攻克成功到規(guī)模化應(yīng)用還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。
審核編輯:湯梓紅
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