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潮新聞 執(zhí)筆 金春華

超導(dǎo)體的磁懸浮。圖片來自視覺中國(guó)

(資料圖片)

最近，韓國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布合成了世界上第一個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體，引發(fā)熱議，眾說紛紜。

超導(dǎo)體，又稱超導(dǎo)材料，指的是在某一溫度下電阻為零的導(dǎo)體，能廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、磁懸浮列車、電力輸送、核磁共振等領(lǐng)域。自人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，該領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了5個(gè)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)。中國(guó)科學(xué)家也因超導(dǎo)領(lǐng)域的突破，兩次獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、一次獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

但是，超導(dǎo)材料的實(shí)現(xiàn)很不容易，比如需要超高壓——有科普作家打過一個(gè)比方，有一種超導(dǎo)材料所需的超高壓，近似于一只大象背起三四百只大象，再穿一只細(xì)高跟鞋，然后用細(xì)高跟鞋跺一下那種大小的力。

世界上有沒有室內(nèi)常壓條件下的超導(dǎo)材料？目前有一種，但“出現(xiàn)”在科幻電影《阿凡達(dá)》中：一種叫“Unobtanium”室溫超導(dǎo)礦石，可以讓一座座大山懸浮在空中。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究院羅會(huì)仟曾在一篇文章中說到，從事超導(dǎo)研究的科學(xué)家們，同樣懷有一個(gè)終極的夢(mèng)想，那就是尋找到可實(shí)用化的室溫超導(dǎo)材料。

現(xiàn)如今，研發(fā)新的可大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料，成為全球科技競(jìng)逐的目標(biāo)之際，中國(guó)科學(xué)家做得怎么樣呢？

《自然》雜志（Nature）刊登中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的科學(xué)成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。圖片來自中山大學(xué)官網(wǎng)

有的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“從0到1”突破

目前，中國(guó)在超導(dǎo)一些研究方向上已做到世界領(lǐng)先水平，且在不斷取得新突破。

北京時(shí)間7月12日晚上11時(shí)，國(guó)際頂刊《自然》雜志（Nature）刊登中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的科學(xué)成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。

這是中國(guó)科學(xué)家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，被視作基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破。

想要理解這一發(fā)現(xiàn)的重要意義，潮新聞?dòng)浾呦群?jiǎn)單捋一下超導(dǎo)發(fā)展歷史。

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，他把汞冷卻到4K（“K”為熱力學(xué)溫度單位“開爾文”，4K=-269.15℃），這接近于絕對(duì)零度（-273.15℃）。此后，科學(xué)家一直在尋找高溫超導(dǎo)材料。

1980年代，在中科院物理所趙忠賢老師為代表的團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下，中國(guó)很快發(fā)現(xiàn)了90K（-183.15℃）以上銅氧化物高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，打破了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40K（-233.15℃）的上限。趙忠賢研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借卓越成果，獲得了1989年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

2008年，趙忠賢團(tuán)隊(duì)將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了55 K（-218.15℃），推動(dòng)中國(guó)高溫超導(dǎo)研究走在世界最前沿。當(dāng)年美國(guó)《科學(xué)》以“新超導(dǎo)體將中國(guó)物理學(xué)家推到最前沿”為題發(fā)表述評(píng)，肯定了中國(guó)物理學(xué)家開展的富有重要影響的領(lǐng)先性工作。

自此，很多新的鐵基超導(dǎo)材料、包括超導(dǎo)機(jī)理方面的物性研究，均由中國(guó)科學(xué)家率先開展。據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟介紹，直至今日，中國(guó)在超導(dǎo)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，即材料和機(jī)理方面，都處在全球前列。

2014年1月，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；⒑头街覟榇淼闹袊?guó)科學(xué)院物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，獲2013年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。3年后，趙忠賢院士獲得2016年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

在高溫超導(dǎo)材料研發(fā)中，液氮溫區(qū)（77開爾文，即-196℃）尤為特殊。因?yàn)?，液氮相比其他材料更加廉價(jià)、易得。這就推動(dòng)了銅氧化物高溫超導(dǎo)材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。

但是，銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)材料?！翱茖W(xué)家在銅氧化物超導(dǎo)電性研究中掌握了很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導(dǎo)的因果關(guān)系無(wú)法確定?！鼻迦A大學(xué)教授張廣銘說，高溫超導(dǎo)的機(jī)理至今未知，成為近40年來物理學(xué)中最重要的科學(xué)問題之一。

王猛教授展示鎳氧化物L(fēng)a?Ni?O?單晶。中山大學(xué) 供圖

此次，王猛團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物。據(jù)王猛教授介紹，鎳氧化物的電子結(jié)構(gòu)、磁性與銅氧化物完全不同。通過比較研究，將有可能確定高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動(dòng)科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機(jī)理。

如果仔細(xì)留意中國(guó)超導(dǎo)研究進(jìn)展，你還會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新聞：比如，今年6月，中科大團(tuán)隊(duì)在世界物理學(xué)頂級(jí)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表論文，創(chuàng)下元素超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度新紀(jì)錄。2014年，吉林大學(xué)馬琰銘團(tuán)隊(duì)預(yù)言在160 萬(wàn)個(gè)大氣壓下，硫化氫(H2S)可變?yōu)槌瑢?dǎo)體，超導(dǎo)臨界溫度為80 K；吉大另一團(tuán)隊(duì)崔田研究組預(yù)言H2S-H2化合物在高壓下可能實(shí)現(xiàn)191-204 K 的高溫超導(dǎo)。

超導(dǎo)電纜。圖片來自上觀

更多超導(dǎo)材料應(yīng)用于生活

中國(guó)超導(dǎo)的領(lǐng)先，離不開國(guó)家大力支持，并實(shí)現(xiàn)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

上世紀(jì)六七十年代，中國(guó)就開始超導(dǎo)研究?！?63計(jì)劃”誕生不久，超導(dǎo)就作為專項(xiàng)列入。“十五”期間，國(guó)家對(duì)“863”超導(dǎo)專項(xiàng)給予大力支持，當(dāng)時(shí)的科技部投入經(jīng)費(fèi)約1億元，加上社會(huì)各界的投入，課題總經(jīng)費(fèi)約4億元左右。該專項(xiàng)取得了豐碩成果，其中一部分完全達(dá)到世界先進(jìn)水平。

近年來，國(guó)家層面有關(guān)超導(dǎo)的頂層設(shè)計(jì)、政策也是密集出臺(tái)。2021年12月，工信部聯(lián)合科技部、自然資源部發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，實(shí)施前沿材料前瞻布局行動(dòng)，支持科研單位聯(lián)合企業(yè)，把握新材料技術(shù)與信息技術(shù)、納米技術(shù)、智能技術(shù)等融合發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展超導(dǎo)材料、智能仿生、增材制造材料等，推動(dòng)新的主干材料體系化發(fā)展，強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域的支持和引導(dǎo)。這被業(yè)界視為明確了超導(dǎo)材料在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的定位。

超導(dǎo)的重視，離不開其巨大的應(yīng)用價(jià)值。例如在超導(dǎo)電纜領(lǐng)域，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

超導(dǎo)材料可使電力傳輸介質(zhì)接近于零電阻，電能傳輸損耗趨近于零。一條35千伏超導(dǎo)電纜相當(dāng)于傳統(tǒng)220千伏電纜的輸送容量，可以替代4至6條相同電壓等級(jí)傳統(tǒng)電纜，較以往可節(jié)省70%的地下管廊空間。在我國(guó)，據(jù)悉每年電力傳輸上的損失就高達(dá)上千億度，若換成超導(dǎo)材料，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。

2004年，中國(guó)第一組超導(dǎo)電纜系統(tǒng)正式并網(wǎng)。我國(guó)成為繼美國(guó)、丹麥之后，全球第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。2013年，國(guó)內(nèi)首套30米、35千伏低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著中國(guó)在實(shí)用低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)中獲得突破。2021年12月，全球首條超公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化示范段在上海正式投運(yùn)，標(biāo)志著中國(guó)超導(dǎo)輸電應(yīng)用邁入全球領(lǐng)先行列……

南京大學(xué)教授、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士聞海虎最近在在接受媒體采訪時(shí)介紹，目前超導(dǎo)材料實(shí)際上已經(jīng)應(yīng)用在很多產(chǎn)業(yè)了，比如核聚變研究的磁體、醫(yī)院內(nèi)核磁成像的磁體、高頻濾波器、量子計(jì)算等等方面，都有應(yīng)用。

2016年9月，在美、日、歐等國(guó)家的鐵基超導(dǎo)線制備還處于米級(jí)水平之際，中科院電工研究所研究員馬衍偉團(tuán)隊(duì)成功研制國(guó)際首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線。這是鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化的新的里程碑。

長(zhǎng)沙磁懸浮。圖片來自湖南發(fā)布

在中國(guó)，超導(dǎo)為大眾所熟知的要數(shù)磁懸浮列車。2002年12月31日，由中國(guó)鐵建承建的世界首條磁浮運(yùn)營(yíng)線——上海磁浮列車示范運(yùn)營(yíng)線通車運(yùn)營(yíng)。2016年5月6日，中國(guó)首條自主設(shè)計(jì)、自主施工、自主制造的具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線——長(zhǎng)沙磁浮快線開通。目前，國(guó)內(nèi)還有北京地鐵S1線、廣東清遠(yuǎn)磁浮旅游專線、鳳凰磁浮觀光快線等多條已投運(yùn)或在建的磁懸浮線。

2021年1月，世界首臺(tái)高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車在成都下線，設(shè)計(jì)時(shí)速620千米。

合肥科學(xué)島拍攝的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）。圖片來自新華網(wǎng)

前沿產(chǎn)業(yè)布局加速推進(jìn)

這幾天，廣大網(wǎng)友紛紛“腦洞大開”，暢想室溫超導(dǎo)帶來的改變——可控核聚變、量子計(jì)算機(jī)等重大基礎(chǔ)設(shè)施將獲得巨大突破，飛車行駛并不是夢(mèng)想，電腦、手機(jī)也不會(huì)有發(fā)熱發(fā)燙的煩惱……

為了讓大家“圓夢(mèng)”，科學(xué)家們、產(chǎn)業(yè)界等都在不斷努力——

基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，很多團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步探索路上。王猛團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，得到《自然》雜志審稿人的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為它“具有突出重要性”“是開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”。該發(fā)現(xiàn)在審稿階段于科研論文預(yù)印平臺(tái)公布后，在1個(gè)月左右時(shí)間里已有10余項(xiàng)相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)工作相繼公布。

“目前，我們的超導(dǎo)材料，需要14GPa壓力下才能實(shí)現(xiàn)，這會(huì)限制對(duì)超導(dǎo)機(jī)理的研究以及廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)目前正在攻關(guān)，希望生長(zhǎng)出常壓下達(dá)到液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物超導(dǎo)體?！蓖趺驼f。

王猛教授團(tuán)隊(duì)開組會(huì)。中山大學(xué) 供圖

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，超導(dǎo)材料市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)歐洲超導(dǎo)行業(yè)協(xié)會(huì)（Conectus），全球超導(dǎo)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模已從2012年的51.9億歐元增長(zhǎng)至2022年的68億歐元。

超導(dǎo)材料根據(jù)臨界溫度，可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。目前，國(guó)際超導(dǎo)材料市場(chǎng)90%左右是低溫超導(dǎo)材料。在該領(lǐng)域，全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握低溫超導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)，主要分布在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)。

近幾年，商業(yè)嗅覺靈敏的民營(yíng)資本，同時(shí)在進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)、可控核聚變、磁懸浮列車等高溫超導(dǎo)帶材應(yīng)用領(lǐng)域。2020年9月，中國(guó)制造業(yè)500強(qiáng)、中國(guó)民營(yíng)企業(yè)500強(qiáng)奧盛集團(tuán)發(fā)起成立了長(zhǎng)三角超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟，聯(lián)合了長(zhǎng)三角地區(qū)如上海國(guó)際超導(dǎo)、上海超導(dǎo)、上創(chuàng)超導(dǎo)、蘇州新材料所、安徽萬(wàn)瑞等超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈諸多龍頭企業(yè)。

我國(guó)多個(gè)省市發(fā)布了支持超導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設(shè)的政策。

早在2011年，上海市政府就開始在高溫超導(dǎo)材料領(lǐng)域培育上創(chuàng)超導(dǎo)、上海超導(dǎo)這2家民營(yíng)企業(yè)，提前布局。2021年，上海市的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃則明確提出，培育高溫超導(dǎo)材料、石墨烯、3D打印等，努力形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際領(lǐng)先的原創(chuàng)核心技術(shù)。上海正全力推動(dòng)打造具有全球影響力的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)高地。

浙江也在加快布局。2021年，浙江省印發(fā)《浙江省全球先進(jìn)制造業(yè)基地建設(shè)“十四五”規(guī)劃》，《規(guī)劃》提出，重點(diǎn)培育柔性電子材料、石墨烯材料、3D打印材料、超導(dǎo)材料等產(chǎn)業(yè)，部分領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)水平。

今年初，浙江印發(fā)《關(guān)于培育發(fā)展未來產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見》，其中在“優(yōu)先發(fā)展9個(gè)快速成長(zhǎng)的未來產(chǎn)業(yè)”之一的“前沿新材料”產(chǎn)業(yè)，就提出重點(diǎn)發(fā)展石墨烯、超導(dǎo)材料、生物可降解材料、碳纖維復(fù)合材料、新一代3D打印材料等領(lǐng)域，……以新一代材料形成新一代技術(shù)裝備。

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