「抬頭仰望」室溫超導時,埋在腳下的「上海造」超導電纜正為數萬戶居民供電 上海市高溫超導重點實驗室

上觀新聞 發佈 2024-03-29T23:06:25.728098+00:00

3月7日,紐約羅切斯特大學物理學家朗加·迪亞斯(Ranga Dias)在美國物理學年會春季會議上,報告了自己的團隊創造出可在室溫下實現超導轉變的新材料。此前,他的科研成果曾遭遇過撤稿風波,因此,本次的新發現也引起了各界的關注與爭議。

3月7日,紐約羅切斯特大學物理學家朗加·迪亞斯(Ranga Dias)在美國物理學年會春季會議上,報告了自己的團隊創造出可在室溫下實現超導轉變的新材料。此前,他的科研成果曾遭遇過撤稿風波,因此,本次的新發現也引起了各界的關注與爭議。

近日,上海科技採訪上海市高溫超導重點實驗室主任、上海大學教授蔡傳兵,他表示,本次研究成果,「從現有的多個繪圖來看,能夠較好地體現了超導相變。」同時他談道,在超導材料的「從0到1」和「從1到10」之間,還有一些「硬骨頭」有待「啃」下。

這次的室溫超導

「在傳統的超導理論之外的驚喜」

據蔡傳兵介紹,相較此前撤稿的論文,迪亞斯本次測試方式方法及數據更多,特別其中比熱、電阻和磁化率等參數隨溫度的變化都表徵出來了,且都較為一致。

同時,迪亞斯本次發現的超導材料組分與以往的報導不同,本次的超導材料由鑥、氮、氫組合而成,是一種新的物質,「這類氫化物在高壓下表現出獨特的超導性能,按照傳統的BCS超導理論是有可能的。」

本次室溫超導在學術界的轟動不僅僅是其內容本身,還與實驗手段的可行性提升有關。此前,儘管他所研究的超導材料在溫度條件上寬鬆了許多,但在壓力條件上卻仍然近乎望塵莫及,「以前大概是200多到500GPa的壓力。」蔡傳兵說道,而這一次的研究成果的壓力條件則是1GPa,整整低了兩個數量級,因此,將有更多的研究團隊有條件進行驗證性實驗。

除此之外,蔡傳兵還談道,本次迪亞斯的壓力效應實驗結果總體來說是可以用現有的BCS超導理論進行解釋,「但這次有一段壓力範圍內的反常依賴性,不一定完全符合現有理論,基礎物性和超導機理上,還有大量工作需要進行。」

超導材料在「0到1」「1到10」之間

還有一個「坎」

儘管突破巨大,但蔡傳兵也談道,在超導材料方面,一個原始創新成果真正走進應用,往往需要20到30年的時間。

人們常說基礎研究需要冷板凳,

需要十年磨一劍,

但成果轉化同樣如此。

據蔡傳兵介紹,長期以來,上海市高溫超導實驗室有兩項重點布局,一項圍繞原始創新及其之後的基礎物性研究,而另一項,則是材料實用化和產業化關鍵技術攻關——跨越超導材料在「從0到1」與「從1到10」之間的那道坎。

「大家常常關注超導臨界溫度,但實際上對於超導材料能不能用,還有一些關鍵參數。」蔡傳兵介紹道,例如無磁場和有磁場下的超導臨界電流——這一特徵反映材料能否具有實際應用所需要的大載流能力和強磁場能力。它們是實用材料中非常關鍵的特徵參數,這就要求我們這類實驗室在材料生長、磁通動力學、磁熱現象等方面投入大量精力和投入。

以應用需求引導基礎研究,

這是我們上海市高溫超導實驗室

區別於其他國內

同類型實驗室的重要特點

——我們把超導材料的

基礎性能和材料相圖研究透,

並將它們變成真正實用的超導材料。

「一個新的材料,開始往往只是實驗室發現的一種物態現象,且實驗室只能製備很小的樣品。一般只需要證明樣品是有某種獨特性能就行了。」蔡傳兵說道,但超導材料真正的實用化和產業化需要大量的基礎研究和應用研究工作,需要驗證尺度、數量放大後的性能變化和高效製備工藝,此外更關鍵的是要長期可靠穩定。

隨著社會經濟的高速發展,在電網領域,負荷密度快速增長、通道資源緊張、電源點難以深入城市中心區域等矛盾日益凸顯,對超導材料等前沿技術的需求也日益增加。

而在上海徐匯區中心地段,

有一根1.2公里的輸電電纜,

正是由上海本地產的

高溫超導材料編織而成的。

這是世界首條35千伏

公里級超導電纜。

該電纜目前投入運營已有400多天,正為徐匯區幾萬戶居民供電,目前由國網上海電力公司和上海國際超導公司運行維護,而這一電纜的核心技術:超導材料,正是由上海大學、上海交大及其兩家產學研企業提供,也是上海電纜所牽頭的上海超導產業聯盟和上海市高溫超導重點實驗室等單位組織各方長期縝密合作的結果,體現了很好的產學研用一體化特點,也體現了在上海市有關部門引導下的有組織的科研和戰略新興產業培養發展新模式。

「重點實驗室的機制

讓我們『嘗到了一些甜頭』」

在蔡傳兵看來,這一「世界首條」的誕生,離不開重點實驗室體制機制的創新。

在採訪中,蔡傳兵直言不諱地說道,「從1到10」的科研,需要以問題導向,通過有組織的科研才能實現,絕不能「為了論文而論文」「為了專利而專利」。

「重點實驗室的設置,

就是為了改變這種格局,

有組織的、為了問題導向而科研,

這是我非常渴望的。」

蔡傳兵說道,

「在徐匯區的『世界最長超導電纜』中

我嘗到了有組織的科研的『甜頭』。」

蔡傳兵曾先後在中科院上海微系統所、日本鐵道綜合技術研究所、英國伯明罕大學和德國的萊布尼茲研究所從事超導材料研發,熟悉發達國家在高溫超導材料上的布局和嘗試。

2005年底,蔡傳兵學成回國,加入上海大學。2014年,團隊在上海大學低溫與超導實驗室的基礎上,開始籌建上海市高溫超導重點實驗室。

談起實驗室建設初衷時,蔡傳兵說道:

實驗室是在分析了國內外高溫超導發展趨勢和這個領域本身特點的基礎上誕生的,我們有一批人在這個領域工作很多年,瞄準國家需求和領域痛點難點目標去做研究。

經過多年的發展,目前實驗室已有一支完善的創新人才隊伍,實驗室包含固定人員近40名,其中教授和研究員,副教授、副研究員20餘名。具有博士學位人員占90%;實驗室40歲以下人員人,約占40%。實驗室青年人才輩出,近年來從新加坡國立大學引進的尹鑫茂教授和從英國劍橋大學引進的周迪帆博士,分別在新型鎳基超導材料和高溫超導應用等方面取得了重要進展,研究成果多次發表在Nature子刊上。尹鑫茂繼國家海外優青計劃之後,又獲得了首屆「上海科技青年35人引領計劃」,周迪帆繼獲第22屆中國國際工業博覽會創新引領獎後,獲得了每2年僅獎勵3位傑出青年科學家的歐洲應用超導Jan Evetts獎。

實驗室在超導材料的基礎研究和成果轉化方面,走出了一條特色的技術路線,研製的第二代高溫超導帶材在厚度、寬度和性能指標已達到國內外先進水平,正在為國家發展戰略而服務:

攻克了高溫超導帶材成材、磁通釘扎和動態檢測技術;建立首個國家標準(GB/T: 20191892-T-491);

正在牽頭開展國家級重點計劃:磁約束核聚變能發展研究專項,將為新一代核聚變中心螺旋管示範應用開展關鍵材料製備與技術攻關。

雖然沒有發現最原始的創新

並產生轟動性的關注,

但關於應用的研究非常重要,

這是人們全方位、多角度

對新材料了解的過程,

但是這個環節的科研工作

往往是『硬骨頭』,

非常難,要長期堅持的精神。

在採訪的最後,蔡傳兵表示,期待在上海市重點實驗室的機制體制方面進一步完善,超導實驗室應該增加類似與超高壓、強磁場、極低溫之類的極端條件設備,有了「高大上」的實驗儀器和「坐冷板凳」的堅持不懈精神,才能抓住超導研究和實驗物理的前沿科學問題,在熱潮中冷靜思考,創造屬於自己的熱點。

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