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超導(dǎo)材料，引領(lǐng)未來能源的投資方向？

作者：麻省理工科技評論APP 來源： 頭條號 130903/17

在電影《阿凡達(dá)》中，人類在潘多拉星球上發(fā)現(xiàn)了一種罕見的常溫超導(dǎo)體——Unobtanium。為了大量獲得這種材料，人類機關(guān)算盡，只為入侵潘多拉?，F(xiàn)在，有科學(xué)家宣稱已經(jīng)找到了這樣的材料，并且在一二級市場引發(fā)了激烈討論。3月8日下午，一段有關(guān)近常

標(biāo)簽：

在電影《阿凡達(dá)》中，人類在潘多拉星球上發(fā)現(xiàn)了一種罕見的常溫超導(dǎo)體——Unobtanium。為了大量獲得這種材料，人類機關(guān)算盡，只為入侵潘多拉。

現(xiàn)在，有科學(xué)家宣稱已經(jīng)找到了這樣的材料，并且在一二級市場引發(fā)了激烈討論。

3月8日下午，一段有關(guān)近常壓室溫超導(dǎo)技術(shù)突破的截圖在朋友圈瘋狂刷屏。這是一場發(fā)生在美國物理學(xué)會的三月會議上的分享，來自羅徹斯特大學(xué)的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）進(jìn)行了題為《室溫近常壓條件下氫化物超導(dǎo)特性》（Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure）的分享，宣布團(tuán)隊實現(xiàn)了近常壓條件下的室溫超導(dǎo)。

超導(dǎo)材料被稱為“當(dāng)代科學(xué)的明珠”，蘭加·迪亞斯團(tuán)隊竟如此輕松地把這顆明珠收入囊中了？

常溫常壓的超導(dǎo)有多難？

首先，我們先來看看美國物理學(xué)會的現(xiàn)場究竟發(fā)生了什么。

網(wǎng)傳的現(xiàn)場PPT顯示，蘭加·迪亞斯團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)三元或者更多元的體系可能是實現(xiàn)近常壓高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵，并展示了一種三元镥氮氫體系超導(dǎo)材料，這種材料能夠在294K（約20攝氏度）、1GPa（約1萬個大氣壓）的條件下實現(xiàn)超導(dǎo)電性。

他還通過電阻測試和邁斯納效應(yīng)驗證了該材料的超導(dǎo)特性。

邁斯納效應(yīng)即完全抗磁性，是指超導(dǎo)體從一般狀態(tài)相變至超導(dǎo)態(tài)的過程中對磁場的排斥現(xiàn)象。簡單來說就是當(dāng)你把超導(dǎo)材料放在磁鐵上時，邁斯納效應(yīng)會讓磁場發(fā)生畸變，產(chǎn)生向上的力使超導(dǎo)體懸浮在磁體上，這也是磁懸浮列車實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。

△磁化水

蘭加·迪亞斯2013年畢業(yè)于華盛頓州立大學(xué)，長期從事極端條件下氫化物量子現(xiàn)象的研究工作。早在2020年，其團(tuán)隊便在Nature刊發(fā)文章，宣稱在267GPa的超高壓下，使碳-硫-氫組成的材料實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為15℃的超導(dǎo)電性。該研究在當(dāng)時被譽為諾獎級別的成果，不過因其他物理學(xué)家均未能重復(fù)其實驗結(jié)果，這篇文章在2022年9月遭到撤稿。

沒想到半年過去，迪亞斯便帶著更重磅的研究成果，殺回了物理學(xué)界。

△蘭加·迪亞斯｜圖源自網(wǎng)絡(luò)

為什么他的研究這么重要呢？自然是因為常溫常壓的超導(dǎo)實在難以實現(xiàn)。

我們都知道，超導(dǎo)指的是導(dǎo)體在某一條件下，電阻為零的狀態(tài)?？蔀榱藢崿F(xiàn)這個“某一條件”，科學(xué)家一百年來想破了腦袋。

自打1911年，荷蘭科學(xué)家卡麥林·翁納斯在零下269攝氏度的條件下觀測到汞的超導(dǎo)電性以來，“如何在通常條件下實現(xiàn)超導(dǎo)”一直是學(xué)界追求的目標(biāo)。

△卡麥林·翁納斯(右一)｜圖源自網(wǎng)絡(luò)

過去十年里，科學(xué)家對高溫超導(dǎo)的探索集中在高壓領(lǐng)域，并通過化學(xué)預(yù)壓縮的氫合金實現(xiàn)超導(dǎo)。在蘭加·迪亞斯的成果發(fā)布之前，現(xiàn)有的最高溫度超導(dǎo)體是硫化氫，這種材料在203K （約為零下70°C）、150GPa（約為150萬個大氣壓）時才能實現(xiàn)超導(dǎo)。

蘭加·迪亞斯發(fā)現(xiàn)的镥氮氫體系，能在20℃、1萬個大氣壓的環(huán)境下實現(xiàn)超導(dǎo)，足見其成果的突破性，但是在實際應(yīng)用上，1萬個大氣壓與“常壓”仍有不小距離。中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊表示，“低溫常壓、高溫高壓下的超導(dǎo)是該領(lǐng)域不同的研究方向，但若能實現(xiàn)常溫常壓的超導(dǎo)，這將是十分震撼的。”

然而在投資的領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)項目早已是硬科技投資機構(gòu)的“座上賓”。該技術(shù)之所以得到如此關(guān)注，是因為它能對未來產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

超導(dǎo)材料可以給能源電力、交通運輸、醫(yī)療診斷等行業(yè)帶來巨大的變革。

當(dāng)超導(dǎo)材料實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，便獲得了完全抗磁性的特征，能將外部磁場的磁通線排出體外，當(dāng)有磁體靠近超導(dǎo)體時，便會受到很強的斥力。在米磊看來，這能使人類對電子的控制邁上一個臺階。

△超導(dǎo)實驗

磁約束聚變的托克馬克裝置中采用了磁籠來對上億攝氏度的等離子體進(jìn)行約束，現(xiàn)有的托克馬克實驗裝置大多采用了銅導(dǎo)線磁體，運行時間以秒計，而商業(yè)化的聚變堆必須采用超導(dǎo)磁體才能達(dá)到連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行的目標(biāo)，ITER（國際熱核聚變實驗堆）項目是目前國際上在建最大的托克馬克實驗裝置，采用了上世紀(jì)末已經(jīng)成熟的低溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，體型龐大且投資巨大，是目前最大的國際合作項目。近年來高溫超導(dǎo)材料開始成熟，其在強磁場下的特性遠(yuǎn)超低溫超導(dǎo)材料，構(gòu)建的高溫超導(dǎo)磁體場強幾倍于低溫超導(dǎo)磁體，能對等離子體提供更強的約束，使托卡馬克小型化成為可能，這不僅可以大幅降低投資成本，更重要的是研發(fā)周期大大縮短，使原來30~50年預(yù)期的遙不可及且投資巨大的聚變項目變成了10年預(yù)期且投資可控的風(fēng)投熱點。

總之，中科創(chuàng)星認(rèn)為，超導(dǎo)材料一旦得到普及應(yīng)用，不僅人類不會再受能源緊張的限制，社會生產(chǎn)和生活也能受惠于技術(shù)，得到改善。而常溫常壓的超導(dǎo)應(yīng)用一直是人類的夢想。

△磁懸浮列車概念圖｜圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

超導(dǎo)材料的前景在哪？

在米磊看來，超導(dǎo)技術(shù)的價值可能不亞于半導(dǎo)體材料。商用可控核聚變公司「星環(huán)聚能」CEO陳銳也對米磊的觀點表示認(rèn)同：“超導(dǎo)技術(shù)對于我們核聚變領(lǐng)域來說，作用非常重要。一個好的超導(dǎo)材料能夠極大的降低實現(xiàn)可控核聚變的成本，也能極大的降低核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計難度?！?/strong>

總之，這些成果離不開成熟的上游超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)，中國的超導(dǎo)材料領(lǐng)域已逐步成長為國際上不容忽視的力量。

低溫超導(dǎo)材料方面，受益于ITER項目的拉動，經(jīng)過不懈的努力西部超導(dǎo)公司在低溫超導(dǎo)材料和低溫超導(dǎo)磁體方面已達(dá)到了國際一流，成為了ITER聚變磁體的超導(dǎo)材料核心供應(yīng)商。低溫超導(dǎo)材料的成熟帶動了國內(nèi)磁共振成像、粒子加速器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近年來在磁懸浮列車、超導(dǎo)儲能等領(lǐng)域也有斬獲。

近年來國際上ReBCO高溫超導(dǎo)材料取得了重要的突破，并形成了規(guī)?；慨a(chǎn)，其優(yōu)越的強場特性引發(fā)了聚變領(lǐng)域新的采用高溫超導(dǎo)強場磁體的緊湊型托克馬克聚變路線，10年預(yù)期下的聚變路線圖激發(fā)了該領(lǐng)域極大的創(chuàng)業(yè)和投資積極性。

“目前，國內(nèi)外已有20多家可控核聚變創(chuàng)業(yè)公司?！泵桌谥鲗?dǎo)中科創(chuàng)星從去年開始大力布局高溫超導(dǎo)材料方向，“現(xiàn)在已經(jīng)投了三家高溫超導(dǎo)材料上下游公司，只是沒想到這個方向這么快又火了。”

「星環(huán)聚能」是國內(nèi)首家以風(fēng)險投資驅(qū)動的商業(yè)聚變能開發(fā)企業(yè)，該公司專注于小型化、商業(yè)化、快速迭代的可控聚變能裝置的設(shè)計、建設(shè)、運行和研發(fā)。2022年下半年，「星環(huán)聚能」完成了原理驗證裝置——SUNIST-2球形托卡馬克主機的安裝工作，與磁體配套的脈沖功率電源也順利推進(jìn)，即將嘗試進(jìn)行放電實驗。

△星環(huán)聚能可控核聚變裝置原理圖

據(jù)「星環(huán)聚能」CEO陳銳的介紹，該裝置的目標(biāo)是驗證公司的重復(fù)重聯(lián)可控聚變方案。未來公司還會打造“一號裝置”，倘若一號裝置運行順利，公司預(yù)計將于2026年開始建造商業(yè)示范裝置，該裝置的目標(biāo)是跑通聚變發(fā)電的全部過程。

「翌曦科技」則是一家從事高溫超導(dǎo)磁體研發(fā)的公司。該公司基于現(xiàn)有的ReBCO高溫超導(dǎo)材料圍繞聚變強場磁體展開研發(fā)，這是實現(xiàn)緊湊型托克馬克裝置最為核心的部件。“在SPARC百億的研發(fā)預(yù)算中，高溫超導(dǎo)磁體的支出預(yù)計占到50%?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院長聘教授、翌曦科技創(chuàng)始人金之儉曾在采訪中表示。

金之儉本碩博均畢業(yè)于上海交大，2010年，金之儉組建了上海交通大學(xué)高溫超導(dǎo)研究團(tuán)隊，團(tuán)隊支撐的上海超導(dǎo)公司研發(fā)的的高溫超導(dǎo)材料逐步成熟并形成了產(chǎn)業(yè)化，目前已達(dá)到國際一流水平，是國內(nèi)外多個聚變項目高溫超導(dǎo)材料的核心供應(yīng)商。緊湊型聚變路線的興起引發(fā)了高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的巨震，由于單個緊湊型聚變項目高溫超導(dǎo)材料的用量都達(dá)到了近萬公里，使得高溫超導(dǎo)材料的需求近乎成百倍的增長，巨量的需求帶動了高溫超導(dǎo)材料成本的快速下降，原來高不可攀的高溫超導(dǎo)材料一下變得親民了，高溫超導(dǎo)的應(yīng)用場景正在變得越來越多，超導(dǎo)電力、超導(dǎo)節(jié)能、超導(dǎo)磁懸浮、超導(dǎo)醫(yī)療等等，高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)正在迎來春天。

△翌曦科技超導(dǎo)磁體

在米磊看來，超導(dǎo)之于能源領(lǐng)域就是半導(dǎo)體之于信息領(lǐng)域，過去60年的信息革命依靠的是半導(dǎo)體材料的突破，未來60年的能源革命依靠的是超導(dǎo)材料的突破。

那蘭加·迪亞斯發(fā)現(xiàn)的三元镥氮氫體系會沖擊現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)行業(yè)嗎？

可能沒那么容易：三元镥氮氫體系超導(dǎo)材料固然令人驚艷，但是短期內(nèi)難以撼動現(xiàn)有高溫超導(dǎo)材料的地位。

「星環(huán)聚能」CEO陳銳認(rèn)為， 目前可控核聚變領(lǐng)域最常用的是釔鋇銅氧體系的超導(dǎo)材料。“可控核聚變對超導(dǎo)材料的電流密度和防中子輻射能力要求很高，而釔鋇銅氧體系在這方面的性能較為優(yōu)異?！?/strong>陳銳本科畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系核工程與核技術(shù)專業(yè)，后又前往悉尼大學(xué)進(jìn)修，獲得碩士和博士學(xué)位。2021年，他與清華大學(xué)工程物理系副教授譚熠依托清華大學(xué)工程物理系聚變實驗室近二十年的研究成果，聯(lián)合創(chuàng)辦了「星環(huán)聚能」，專注于實現(xiàn)聚變能源的商業(yè)化。在陳銳看來，蘭加·迪亞斯研究成果的應(yīng)用性有幾何目前仍存疑。

「翌曦科技」金之儉認(rèn)為，三元镥氮氫體系離實用還非常遙遠(yuǎn)，超導(dǎo)材料在實際應(yīng)用中還要關(guān)注材料本身的穩(wěn)定性、電磁和機械特性、成本等多個因素。在他看來，現(xiàn)有的釔鋇銅氧體系超導(dǎo)材料經(jīng)過數(shù)十年的研發(fā)才走到今天實用化的地步，目前是可控核聚變技術(shù)走向商業(yè)化最可行的一條路徑，可控核聚變的實現(xiàn)并不需要等待新的超導(dǎo)材料亮相。

此外，對于镥氮氫體系實現(xiàn)超導(dǎo)的條件，米磊則表示，“雖然在實驗室里很容易實現(xiàn)3萬個大氣壓的壓力，但是在實際應(yīng)用中就比較困難。有文章稱該壓力可以通過材料結(jié)構(gòu)本身實現(xiàn)，但這種途徑實現(xiàn)的壓力屬于‘化學(xué)壓力’，即元素結(jié)構(gòu)不匹配造成的內(nèi)部壓力，這是否適用于這種材料，還需要時間的檢驗?！?/p>1萬個大氣壓雖然在科學(xué)上可以表述為“近常壓”，但還是難以直接應(yīng)用于實際情況，陳銳告訴中科創(chuàng)星，“對于可控核聚變裝置來說，我們不能將所有磁體的所有位置都施加1萬個大氣壓，這在應(yīng)用中是不現(xiàn)實的?！?/p>“如果他的材料真的得到了驗證，可控核聚變公司也能通過更換更簡單的設(shè)計，快速完成材料升級?！标愪J表示，這是學(xué)業(yè)和業(yè)界都樂意見到的。


因此，蘭加·迪亞斯的實驗結(jié)果對于凝聚態(tài)物理的意義遠(yuǎn)大于超導(dǎo)實用技術(shù)，金之儉告訴中科創(chuàng)星，“他發(fā)現(xiàn)了一個尋找高溫超導(dǎo)材料的新途徑，順著這個新的途徑可能發(fā)現(xiàn)壓力要求更低的高溫超導(dǎo)材料?！?/strong>

超導(dǎo)材料——引領(lǐng)未來的投資方向

蘭加·迪亞斯的镥氮氫體系超導(dǎo)材料將實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的溫度提高了近百攝氏度，倘若該實驗結(jié)果能被其它科學(xué)家復(fù)現(xiàn)，那即便其尚不具有產(chǎn)業(yè)和投資價值，在科研的領(lǐng)域也是一項分量十足的突破。

“美國的技術(shù)突破不是靠一兩天的時間實現(xiàn)的，他的背后是無數(shù)科學(xué)家?guī)资?、上百年的積累?？蒲惺且粋€需要耐心進(jìn)行長期積累的事，有時候我們做了10年，發(fā)現(xiàn)沒有重大突破，于是‘中途下馬’。但等再過個一二十年，別人取得突破成果的時候我們再想把技術(shù)撿起來，那就為時已晚?！痹诿桌诳磥恚?strong>今天的中國十分缺乏“十年磨一劍”的工匠精神，大家只看到了突破，卻沒人愿意默默耕耘，這樣只能被甩在后面。

學(xué)術(shù)尚且如此，對于投資則更甚。

站在投資的角度，超導(dǎo)材料及其下游的可控核聚變的商業(yè)價值、社會價值以及知識價值長期存在，但因其遠(yuǎn)離人們的日常生活，產(chǎn)業(yè)的重要性總是未得到廣泛的認(rèn)可。

但這并不妨礙學(xué)界對超導(dǎo)技術(shù)的研究，國內(nèi)也有非常多的科學(xué)家十年磨劍在做研發(fā)，也有像陳銳、金之儉這樣的創(chuàng)業(yè)者在推動技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化。作為硬科技投資先行者的中科創(chuàng)星，我們在前沿科技的轉(zhuǎn)化推動上，也在不遺余力地為這些創(chuàng)業(yè)公司提供支持。

中科創(chuàng)星的使命便是推動新一輪科技革命在中國誕生。與經(jīng)濟和商業(yè)價值最大化相比，以硬科技改變世界、實現(xiàn)中國夢才是我們的目標(biāo)和追求。“現(xiàn)在大家只看到了技術(shù)突破，但是我們更需要默默耕耘的人?！泵桌谡J(rèn)為，中科創(chuàng)星要做的是“耐心資本”，從成立之初就確立了“投小、投早、投硬”的方向。

總之，常溫超導(dǎo)體技術(shù)依然是全社會的期待，該技術(shù)的成熟必定會引領(lǐng)一場世界范圍的技術(shù)革命。在此之前，我們要對技術(shù)保持警惕和敬畏，也不能丟下對它的憧憬。

參考資料：

1.關(guān)于三峽水電站上網(wǎng)電價和輸電價格有關(guān)問題的通知http://www.nea.gov.cn/2011-08/16/c_131052530.htm

2.硬核！交大教授創(chuàng)業(yè)聚焦可控核聚變，通向終極能源之路，獲中科創(chuàng)星投資https://mp.weixin.qq.com/s/fdDVt0ENc5l8g2lqixS_lA

3.華安證券：高端金屬材料成型工藝領(lǐng)軍者

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