科学突破有望延长电池寿命——《华尔街日报》

兰加·迪亚斯博士在其罗切斯特大学实验室中使用激光设备，他与团队在此测试超导材料。图片来源：《华尔街日报》Lauren Petracca美国科学家宣布研发出首种可商业化的零电阻材料，该材料能消除电力传输中的能量损耗。这一突破可能带来更持久的电池、更高效的电网以及更先进的高速列车。

零电阻的超导材料以往因需在约零下320华氏度的极低温与高压环境下工作，实际应用极为受限。

罗切斯特大学研究团队最新报告显示，他们开发的新型超导体可在室温及远低于既往材料的压力条件下运行。

项目负责人、机械工程与物理学助理教授兰加·迪亚斯表示，这一突破有望实现无损耗电网，并为未来核聚变反应堆提供更优更廉价的磁体。关键在于，常温常压下工作的完美导体无需昂贵庞大的冷却系统。

“我们可以让列车在超导轨道上实现磁悬浮，改变电能的储存和传输方式，并彻底革新医学成像技术，”迪亚斯博士说道。

图片：一种新型超导体

图片来源：《华尔街日报》Lauren Petracca超导体展现了物理学家所称的迈斯纳效应，即材料会排斥其磁场。他补充道，如果将超导体靠近磁铁，它就会悬浮起来。

2020年，他的团队报告称，他们创造出了一种由氢、硫和碳组合而成的超导体，能在接近室温的条件下工作。但问题是，它只有在被激光烘烤并用金刚石对顶砧装置（一种设备）中的两颗钻石尖端挤压到比地球中心还大的压力后，才能发挥作用。

在这项新研究中，研究人员调整了他们的超导体配方——在氢中添加氮和一种名为镥的稀土金属，而不是硫和碳——并再次在金刚石对顶砧装置中加热和挤压它。 该研究周三发表在《自然》杂志上。

在观察到材料在被压缩时颜色从蓝色变为粉红色再变为红色后，他们将这种材料命名为“红物质”。迪亚斯博士说，这个名字的灵感来自2009年好莱坞大片《星际迷航》中虚构的形成黑洞的物质。

罗切斯特实验室发现，“红物质"可以在69华氏度（约20.5摄氏度）和14.5万磅/平方英寸（psi）的压力下存在——约为地核压力的1/360。与2020年的前代成果相比，温度提高了约10华氏度，压力降至约1/1000。

“这些成果是科学界的重大突破，得益于[迪亚斯博士]敏锐的化学直觉，“塔拉哈西市佛罗里达州立大学国家强磁场实验室的研究科学家斯坦利·托泽表示，他未参与此项研究。

托泽博士指出，虽然新压力值仍远高于海平面约15psi的环境压力，但已进入"工程师可着手开发商业可行产品的范围”，并补充说"这使超导技术具备了商业化可能”。工程师和材料科学家可通过芯片制造和钻石合成等专业技术与设备实现约14.5万psi的压力。

“未来五年内我们将拥有含超导组件的设备，“研究合著者、拉斯维加斯内华达大学物理学家阿什坎·萨拉马特表示。这意味着手机和笔记本电脑将减少运行耗电，且不会以热能形式损耗能量——从而延长电池寿命。相同组件还可应用于电动汽车电池。

在罗切斯特大学的一次演示中，冷却到极低温度的超导体悬浮在磁铁上方。图片来源：Lauren Petracca/《华尔街日报》萨拉马特博士表示，能在日常温度和压力下工作的超导体还有助于应对气候变化等问题。

他说：“例如，超导电网可以无限期地储存太阳能或风能，并在远距离传输时不会造成损失。“美国能源信息署估计2017至2021年间，该国平均有5%的电力在输配电过程中损耗。更高效的能源存储和传输意味着整体能耗降低，从而减少碳排放。萨拉马特博士指出，超导体还可能为开发更廉价、更高效的核聚变装置铺平道路——核聚变长期以来被视为清洁、近乎无限的潜在能源。

核聚变反应通过原子结合释放巨大能量，过程中不会产生放射性废物或温室气体。多数聚变装置依赖磁场约束反应——而超导体能产生最强的磁场。问题在于维持超导体低温所需的大型昂贵冷却设备。迪亚斯博士表示，像"红物质"这样能在室温下产生强磁场的超导体，可能在未来十年左右彻底改变聚变反应堆的建设进程。

萨拉马特博士表示，非侵入性医学影像也能从近常温条件下工作的超导体中受益。大多数磁共振成像（MRI）设备依赖超导磁体，这些磁体通过让电流流经超导线圈产生磁场。他提到，这些线圈需用液氦冷却——这种稀缺且昂贵的资源限制了MRI系统的部署场所。室温超导体有望实现更小型化、便携式的MRI设备，无需持续冷却。

“这些都是重大工程突破，虽不会明天就实现。但随着此类发现及其类似成果的出现，未来十年左右将逐步看到应用，“他说道。

尽管迪亚斯博士的研究展现出前景，其团队过往工作曾受到科学界质疑。他们2020年关于另一种室温超导体的研究已被《自然》期刊撤稿，因其他学者无法复现结果，并对材料迈斯纳效应数据的有效性提出质疑。

日内瓦大学物理学家德克·范德马雷尔（未参与新研究或迪亚斯其他工作）是对2020年数据提出质疑的学者之一。

迪亚斯博士称，在伊利诺伊州阿贡国家实验室和纽约布鲁克海文国家实验室的科学家见证下，团队重新采集数据后，已将被撤论文重新提交给《自然》。他补充道，团队在新论文的同行评审过程中已公开所有关于"红物质"的数据。

尽管范德马雷尔博士表示，这项新研究似乎恰当地展示了"红物质"中的效应，但他表示对整个事情感到"极度不安”。

他补充说：“类似的问题可能潜伏在数据中”。

伊利诺伊大学芝加哥分校物理和化学教授拉塞尔·赫姆利表示，其他研究小组已经证实了在室温下使用富含氢的材料实现超导性的想法。赫姆利博士没有参与这项新研究，但曾与迪亚斯博士在其他项目上合作过。

赫姆利博士说：“因此，即使对他们早期论文中数据呈现方式存在担忧，这些结果也不应该受到质疑。”

迪亚斯博士表示，他的团队已经在考虑调整他们的"红物质"配方，试图在更高的温度和更低的压力下实现超导性。

研究生们在罗切斯特大学迪亚斯博士的一个实验室里，致力于创造和分析新的超导材料。照片：J. Adam Fenster/罗切斯特大学迪亚斯博士说，一个想法是将其他类似于镥的稀土元素加入混合物中，尽管这些稀有元素价格昂贵。他希望尝试一种不同的方法——可能是铝加上一点其他物质——这种方法制造成本更低，并且可以模拟镥的效果。

该团队将开始使用机器学习来选择他们的下一个超导体配方。他们正在利用这项新工作和之前实验的数据训练算法，以帮助人工智能更好地预测氢和其他元素的哪些组合可能产生超导材料。

“大自然母亲允许我们通过不同途径达到这些非凡的超导状态，这非常了不起，”萨拉马特博士说道，并补充道，将压力降至零是该团队的下一目标。

迪亚斯博士表示他有信心实现这一成就：“这只是时间问题。”

联系艾琳·伍德沃德，邮箱：[email protected]

刊登于2023年3月9日印刷版，标题为《新型超导体被称为突破性发现》。