《华尔街日报》：可能让电池更持久的科学突破

在罗切斯特大学实验室之一，Ranga Dias博士与其他研究人员正在测试超导材料的激光。照片： 劳伦·佩特拉卡（Lauren Petracca）/《华尔街日报》美国科学家表示，他们已经生产出第一种商业上可获得的材料，可以消除电流在导线上移动时的能量损失，这一突破可能意味着更持久的电池、更高效的电网和改进的高速列车。

可以传导电流而不损失的材料——即所谓的超导体——一直以来都不切实际，因为它们通常需要极低温，大约零下320华氏度左右，并且需要极高的压力才能工作。

现在，罗切斯特大学的一组研究人员报告称，他们已经创造出一种可以在室温下运行并且比以前发现的超导材料需要更低压力的新型超导体。

这一突破有潜力创造无损耗的电网，以及未来核聚变反应堆中使用的更好更便宜的磁铁，等等，罗切斯特大学机械工程和物理助理教授Ranga Dias表示，他领导了这项突破性工作。这是因为在日常环境下工作的完美导体不需要昂贵的大型冷却系统。

“我们可以利用超导轨道将火车磁悬浮在空中，改变电力存储和传输方式，并革新医学成像技术，”Dias博士说。

照片：一种新的超导体

照片： 劳伦·佩特拉卡（Lauren Petracca）摄于《华尔街日报》超导体展示了物理学家所称的迈斯纳效应，即材料排斥其磁场。如果你把一个超导体放在磁铁附近，它会悬浮起来，他补充道。

2020年，他的团队报告称，他们创造了一种由氢、硫和碳组成的超导体，可以在大约室温下运行。问题在于，它只有在被激光烘烤并在两颗钻石尖端之间被压碎到比地球中心更大的压力下才能工作，这是一种被称为金刚石夹具的装置。

在这项周三发表在《自然》杂志上的新研究中，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，并再次在金刚石夹具中加热和挤压。

他们将所得材料命名为“reddmatter”，因为观察到材料的颜色从蓝色变成粉红色再变成红色随着被压缩。Dias博士说，这个绰号是受到了2009年好莱坞大片《星际迷航》中虚构的黑洞形成物质的启发。

罗切斯特实验室发现，“红物质”可以在华氏69度和每平方英寸145,000磅的压力下存在，大约是地球核心压力的1/360。与2020年的前身相比，这意味着温度增加了约10华氏度，压力降低到大约1/1000。

“这些结果对于科学界来说是一项突破，这得益于[迪亚斯博士]敏锐的化学直觉，”未参与研究的佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室的研究科学家斯坦利·托泽尔说道。

尽管与人们在海平面经历的压力相去甚远——约为15磅每平方英寸——新的压力处于“工程师可以着手制造商业可行产品的范围内，”托泽尔博士说，并补充说，“这使超导体在商业上变得可行。”工程师和材料科学家可以使用专门的技术和仪器，比如芯片制造和合成钻石中涉及的技术，实现约145,000磅每平方英寸的压力。

“在未来五年内，我们将会有带有超导元件的设备，”内华达大学拉斯维加斯分校的物理学家、研究合著者阿什坎·萨拉玛特说道。这意味着我们的手机和笔记本电脑将需要更少的电来运行，并且不会因为热量而损失能量，从而延长电池寿命。同样的元件也可以被应用到电动汽车电池中。

在罗切斯特大学的演示中，一个被冷却到极低温度的超导体在磁铁上方悬浮。照片： 劳伦·佩特拉卡（Lauren Petracca）摄于《华尔街日报》萨拉马特博士表示，在日常温度和压力下工作的超导体也可以帮助解决诸如气候变化之类的问题。

“超导电网可以储存太阳能或风能，例如，可以在无限期的时间内传输能量，并且在长距离传输时不会损失，”他说。美国能源信息管理局估计2017年至2021年间，美国平均有5%的电力在传输和分配过程中损失。更高效的能量储存和传输意味着整体能源使用减少，从而减少碳排放。超导体还可以为更便宜、更好的机器铺平道路，这些机器可以进行核聚变——长期以来一直被视为潜在的清洁、几乎无限能源来源，萨拉马特博士说。

核聚变反应将原子结合并释放出巨大能量，这个过程中不会产生任何放射性废物或温室气体。许多聚变机器依赖磁场来限制反应，而超导体可以产生一些最强的磁场。问题在于需要保持这些超导体冷却的笨重、昂贵的冷却装置。迪亚斯博士表示，像“红物质”这样在室温下产生巨大磁场的超导体，在未来十年左右可能会成为建造聚变反应堆的努力中的一个改变游戏规则的因素。

非侵入性医学成像也可以从在接近环境温度条件下工作的超导体中受益，Salamat博士说。大多数磁共振成像（MRI）机依赖于超导磁体，这些磁体是通过将电流通过超导线圈制成的，从而产生磁场。Salamat博士说，这些线圈使用液态氦冷却——这是一种稀缺且昂贵的资源，限制了MRI系统可以放置的位置。室温超导体可以实现更小、更便携的MRI机器，无需保持冷却。

“现在，这些是非常大的工程壮举，不会在明天发生。但这些将在未来十年左右出现，作为这一发现及类似发现的结果，”他说。

尽管Dias博士的研究显示出潜力，但他们小组过去的一些工作受到其他科学家的审查。他们2020年的一项研究，详细介绍了另一种室温超导体，去年被《自然》撤回，因为其他研究人员无法复制结果，并质疑显示该材料梅森效应数据的有效性。

日内瓦大学物理学家Dirk van der Marel没有参与新研究或Dias博士的其他工作，但他是提出有关2020年数据问题的人之一。

Dias博士说，被撤回的论文在伊利诺伊州和纽约的Argonne和Brookhaven国家实验室前，他和同事们收集了新数据后重新提交给《自然》。他补充说，他的小组在新论文的同行评审过程中提供了所有关于“reddmatter”的数据。

尽管范德马雷尔博士表示，新研究似乎正确展示了“reddmatter”中的效果，但他表示对整个事情感到“非常不舒服”。

“数据中可能隐藏着类似的问题，”他补充道。

伊利诺伊大学芝加哥分校物理和化学教授拉塞尔·亨利表示，其他团体已经证实了使用富含氢的材料在室温下实现超导的想法。他没有参与新研究，但与迪亚斯博士在其他项目中合作过。

“因此，即使对于他们早期论文中数据呈现方式存在一些担忧，这些结果也不应该受到质疑。” 亨利博士说。

迪亚斯博士表示，他的团队已经开始调整他们的“reddmatter”配方，试图在更高温度和更低压力下实现超导。

研究生们正在罗切斯特大学迪亚斯博士实验室之一中创造和分析新的超导材料。照片： J. Adam Fenster/罗切斯特大学其中一个想法是将与镥相似的其他稀土元素投入混合物中，尽管这些稀有元素很昂贵，迪亚斯博士说。他希望尝试一种不同的方法——也许是铝加入一些其他成分——这种方法更便宜且可以模仿镥的效果。

该团队将开始使用机器学习来选择下一个超导体配方。他们正在用这项新工作和以前的实验数据来训练算法，以帮助人工智能更好地预测氢和其他元素的组合可能产生超导材料。

“Mother Nature允许我们使用不同的途径来达到这些显著的超导态状态，这是非常了不起的，”Salama博士说道，他补充说，将压力降至零是该团队的下一个目标。

Dias博士表示，他相信这一成就即将到来：“这只是一个时间问题。”

请写信给Aylin Woodward，邮箱为[email protected]

发表于2023年3月9日的印刷版上，标题为’新超导体被称为突破性进展’。