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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(píng)論APP 來源： 頭條號(hào) 129703/17

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(jī)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(jí)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(jī)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(jí)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(huì)的三月會(huì)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(duì)實(shí)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(duì)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(huì)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(duì)發(fā)現(xiàn)三元或者更多元的體系可能是實(shí)現(xiàn)近常壓高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵，并展示了一種三元镥氮?dú)潴w系超導(dǎo)材料，這種材料能夠在294K（約20攝氏度）、1GPa（約1萬個(gè)大氣壓）的條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性。

他還通過電阻測試和邁斯納效應(yīng)驗(yàn)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(duì)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(shí)，邁斯納效應(yīng)會(huì)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為15℃的超導(dǎo)電性。該研究在當(dāng)時(shí)被譽(yù)為諾獎(jiǎng)級(jí)別的成果，不過因其他物理學(xué)家均未能重復(fù)其實(shí)驗(yàn)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?yàn)槌爻旱某瑢?dǎo)實(shí)在難以實(shí)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?shí)現(xiàn)這個(gè)“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(shí)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(duì)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(shí)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(gè)大氣壓）時(shí)才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

蘭加·迪亞斯發(fā)現(xiàn)的镥氮?dú)潴w系，能在20℃、1萬個(gè)大氣壓的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，足見其成果的突破性，但是在實(shí)際應(yīng)用上，1萬個(gè)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(shí)現(xiàn)常溫常壓的超導(dǎo)，這將是十分震撼的?！?/p>然而在投資的領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)項(xiàng)目早已是硬科技投資機(jī)構(gòu)的“座上賓”。該技術(shù)之所以得到如此關(guān)注，是因?yàn)樗軐?duì)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(yùn)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(shí)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(shí)，便會(huì)受到很強(qiáng)的斥力。在米磊看來，這能使人類對(duì)電子的控制邁上一個(gè)臺(tái)階。

△超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

磁約束聚變的托克馬克裝置中采用了磁籠來對(duì)上億攝氏度的等離子體進(jìn)行約束，現(xiàn)有的托克馬克實(shí)驗(yàn)裝置大多采用了銅導(dǎo)線磁體，運(yùn)行時(shí)間以秒計(jì)，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(yùn)行的目標(biāo)，ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）項(xiàng)目是目前國際上在建最大的托克馬克實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目。近年來高溫超導(dǎo)材料開始成熟，其在強(qiáng)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(qiáng)幾倍于低溫超導(dǎo)磁體，能對(duì)等離子體提供更強(qiáng)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(xiàng)目變成了10年預(yù)期且投資可控的風(fēng)投熱點(diǎn)。

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(huì)再受能源緊張的限制，社會(huì)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(jià)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(duì)米磊的觀點(diǎn)表示認(rèn)同：“超導(dǎo)技術(shù)對(duì)于我們核聚變領(lǐng)域來說，作用非常重要。一個(gè)好的超導(dǎo)材料能夠極大的降低實(shí)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(jì)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(xiàng)目的拉動(dòng)，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(dòng)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(chǔ)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(qiáng)場特性引發(fā)了聚變領(lǐng)域新的采用高溫超導(dǎo)強(qiáng)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(gè)方向這么快又火了?！?/p>

「星環(huán)聚能」是國內(nèi)首家以風(fēng)險(xiǎn)投資驅(qū)動(dòng)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(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和研發(fā)。2022年下半年，「星環(huán)聚能」完成了原理驗(yàn)證裝置——SUNIST-2球形托卡馬克主機(jī)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(shí)驗(yàn)。

△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(yàn)證公司的重復(fù)重聯(lián)可控聚變方案。未來公司還會(huì)打造“一號(hào)裝置”，倘若一號(hào)裝置運(yùn)行順利，公司預(yù)計(jì)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(qiáng)場磁體展開研發(fā)，這是實(shí)現(xiàn)緊湊型托克馬克裝置最為核心的部件?！霸赟PARC百億的研發(fā)預(yù)算中，高溫超導(dǎo)磁體的支出預(yù)計(jì)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(duì)，團(tuán)隊(duì)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(gè)聚變項(xiàng)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(gè)緊湊型聚變項(xiàng)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(dòng)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?dú)潴w系會(huì)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?dú)潴w系超導(dǎo)材料固然令人驚艷，但是短期內(nèi)難以撼動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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?dú)潴w系離實(shí)用還非常遙遠(yuǎn)，超導(dǎo)材料在實(shí)際應(yīng)用中還要關(guān)注材料本身的穩(wěn)定性、電磁和機(jī)械特性、成本等多個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)并不需要等待新的超導(dǎo)材料亮相。

此外，對(duì)于镥氮?dú)潴w系實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的條件，米磊則表示，“雖然在實(shí)驗(yàn)室里很容易實(shí)現(xiàn)3萬個(gè)大氣壓的壓力，但是在實(shí)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(shí)現(xiàn)，但這種途徑實(shí)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(shí)間的檢驗(yàn)。”

1萬個(gè)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(shí)際情況，陳銳告訴中科創(chuàng)星，“對(duì)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(gè)大氣壓，這在應(yīng)用中是不現(xiàn)實(shí)的?！?/p>“如果他的材料真的得到了驗(yàn)證，可控核聚變公司也能通過更換更簡單的設(shè)計(jì)，快速完成材料升級(jí)?！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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于凝聚態(tài)物理的意義遠(yuǎn)大于超導(dǎo)實(shí)用技術(shù)，金之儉告訴中科創(chuàng)星，“他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尋找高溫超導(dǎo)材料的新途徑，順著這個(gè)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?dú)潴w系超導(dǎo)材料將實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的溫度提高了近百攝氏度，倘若該實(shí)驗(yàn)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(jià)值，在科研的領(lǐng)域也是一項(xiàng)分量十足的突破。

“美國的技術(shù)突破不是靠一兩天的時(shí)間實(shí)現(xiàn)的，他的背后是無數(shù)科學(xué)家?guī)资辍⑸习倌甑姆e累?？蒲惺且粋€(gè)需要耐心進(jìn)行長期積累的事，有時(shí)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(gè)一二十年，別人取得突破成果的時(shí)候我們再想把技術(shù)撿起來，那就為時(shí)已晚?！痹诿桌诳磥?，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(duì)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(jià)值、社會(huì)價(jià)值以及知識(shí)價(jià)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)新一輪科技革命在中國誕生。與經(jīng)濟(jì)和商業(yè)價(jià)值最大化相比，以硬科技改變世界、實(shí)現(xiàn)中國夢才是我們的目標(biāo)和追求?！艾F(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(huì)的期待，該技術(shù)的成熟必定會(huì)引領(lǐng)一場世界范圍的技術(shù)革命。在此之前，我們要對(duì)技術(shù)保持警惕和敬畏，也不能丟下對(duì)它的憧憬。

參考資料：

1.關(guān)于三峽水電站上網(wǎng)電價(jià)和輸電價(jià)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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