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超导的研究和应用,将会给未来带来巨大的变革

来源:互联网添加时间:2020/07/19 点击:

说起超导,在这里便来先说一下2018年《自然》杂志所评选的年度十位对科学界产生重大影响的人士,第一位入选的是便是年仅22岁的曹原,他的研究成就,使他被誉为石墨烯驾驭者。

年仅22岁的物理学家曹原协助发现了让石墨烯实现零电阻导电的方法,该研究成果开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终实现能源利用率与能源运输效率的提高。

而石墨烯是未来革命性的一种新型材料,石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面,涵盖了众多的高新领域,而石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值,在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。

可以说,曹原发现了石墨烯实现零电阻的方法,开创了物理学中的又一个全新的研究领域,这对于未来高端装备制造等的研发和应用,有更优异的性能。

你们知道么,不仅超导在石墨烯方面的研究具有重大的作用,甚至在其他材料,超导的研究都起着非常重要的作用。

可以说,超导研究在凝聚态物理领域甚至在整个物理学界中,都扮演着不可忽视的重要角色。

从1911 年卡末林·昂尼斯发现第一个金属汞超导体以来,超导的研究历程跨越了一个多世纪,带来过无数惊喜的发现,为物理学的发展做出了重要的贡献。以诺贝尔物理学奖为例,目前共有200 余位科学家获得了该奖,其中凝聚态物理领域的约有60位左右,有10 名科学家是直接因为超导研究而获此殊荣,当然,期间还有很多的传奇人物,他们无一都是在超导方面有巨大的研究成果。

从诺贝尔获得奖和一些传奇的事例,可看出,超导的魅力是如此神奇,百余年来长盛不衰,结出了累累硕果。而在未来超导领域,必将还会持续涌现更多的诺贝尔奖,如发现常压室温超导体和建立高温超导微观理论就是学界公认的“诺奖级”工作,而诸如铁基超导、重费米子超导和有机超导等各种非常规超导材料的发现者也被寄予厚望。

而超导的现象,也并非是某些特定材料才会发生的,可以说超导现象广泛存在于各材料中。

据不完全统计,目前为止人类发现的无机化合物大约有15 万种,其中属于超导体的约有2 万多种。可见,超导现象是普遍存在于各类材料之中的,包括金属单质、合金、金属间化合物、过渡金属与非金属化合物、有机材料、纳米材料等多种形态。

而在科学界中,有一个广泛认同的信念——只要温度足够低或者压力足够大等特定条件下,任何材料都可以成为超导体。

特别是近年来,随着科学技术的发展,在超导材料探索方面,也出现了多种新颖的手段,如超高温高压合成、微纳米加工、固态/液态离子调控、化学离子交换/注入、电子浓度门电压调控等,超导材料的覆盖面,正在迅速扩展。

探索新材料过程更是采用了广积粮、高通量、面撒网的方式,结合大数据、机器学习和人工智能的应用,在“材料基因工程”和“原子制造工厂”等新概念模式下,人们正在加速超导材料的探索过程,越来越多千奇百怪的超导体,将在未来出现在我们面前。

如今,我们是处于一个电子世界的时代,可以说生活离不开电子产品,如手机,电脑,交通工具等等,而半导体芯片,便是这些电子产品的核心部件之一,可以说,半导体芯片给我们的生活带来了很大的影响,它不仅在材料加工、能耗、弱电等方面起着重大的作用,还极大的提高了各种设备的应用技术等。

然而,相对半导体而言,超导材料的应用十分滞后,可以说,在半导体芯片统治了我们如今电子世界的时候,我们从未见到过一件“超导电子产品”。

并不是说我们不知道超导它所带来的巨大优越作用,而是因为对于一个超导体而言,需要满足临界温度、临界磁场和临界电流密度均非常之高的前提下,才能适用于大电流、强磁场、无损耗的超导强电应用,同时材料本身的微观缺陷、力学性能、机械加工能力等也极大影响了产品化的进程。

而已有的超导材料,各自都有它的应用局限,所以,在超导方面的应用,目前大部分还只是处于研究实验中,并不能广泛的运用于现实。

当然,也并不是说就没有超导的应用,超导应用目前最成功的是超导磁体和超导微波器件等,也是极为有限。医院里的核磁共振成像大都采用超导磁体,其磁场一直存在线圈中,所以进入检测室需要摘除所有金属物件。

基础科学研究采用的稳恒强磁场、大型加速器磁体、高能粒子探测器以及工业中采用的磁力选矿和污水处理等,也利用了场强高的超导磁体。发展更高分辨率的核磁共振、磁约束的人工可控核聚变、超级粒子对撞机等,都必须依赖强度更高的超导磁体,也是未来技术的可能突破口。超导微波器件在一些军事和民用领域都已经走向成熟甚至是商业化了,为信息爆炸的今天提供了非常有效的通讯保障。

当然,超导的应用也不仅仅只有这些,超导在磁悬浮列车、量子应用、可控核聚变等重要领域都有着巨大的发展空间。

可以想象一下,若是超导可控核聚变发动机的成功研制,或许可以为未来的超级宇宙飞船提供源源不断的动力,帮助人类在太空中持续飞行数百年,探索太空中的奥秘,去寻找下一个合适的家园……

随着超导材料、机理和技术的发展,更多的超导电力、磁体、器件,必然将在未来逐步走进人们的生活,甚至带来翻天覆地的变化。

新一代的科技革命,正在新材料、新机理、新器件的推动下,加速到来,而超导的研究,机遇与挑战并存,超导的应用,也将会改变未来,引领未来走向更好的生活。