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超導材料，引領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 132103/17

在電影《阿凡達》中，人類在潘多拉星球上發(fā)現(xiàn)了一種罕見的常溫超導體——Unobtanium。為了大量獲得這種材料，人類機關算盡，只為入侵潘多拉?，F(xiàn)在，有科學家宣稱已經(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，一段有關近常

標簽：

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

現(xiàn)在，有科學家宣稱已經(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，一段有關近常壓室溫超導技術突破的截圖在朋友圈瘋狂刷屏。這是一場發(fā)生在美國物理學會的三月會議上的分享，來自羅徹斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）進行了題為《室溫近常壓條件下氫化物超導特性》（Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure）的分享，宣布團隊實現(xiàn)了近常壓條件下的室溫超導。

超導材料被稱為“當代科學的明珠”，蘭加·迪亞斯團隊竟如此輕松地把這顆明珠收入囊中了？

常溫常壓的超導有多難？

首先，我們先來看看美國物理學會的現(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)近常壓高溫超導的關鍵，并展示了一種三元镥氮氫體系超導材料，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)超導電性。

他還通過電阻測試和邁斯納效應驗證了該材料的超導特性。

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

△磁化水

蘭加·迪亞斯2013年畢業(yè)于華盛頓州立大學，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)了轉變溫度為15℃的超導電性。該研究在當時被譽為諾獎級別的成果，不過因其他物理學家均未能重復其實驗結果，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，殺回了物理學界。

△蘭加·迪亞斯｜圖源自網(wǎng)絡

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

我們都知道，超導指的是導體在某一條件下，電阻為零的狀態(tài)。可為了實現(xiàn)這個“某一條件”，科學家一百年來想破了腦袋。

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

△卡麥林·翁納斯(右一)｜圖源自網(wǎng)絡

過去十年里，科學家對高溫超導的探索集中在高壓領域，并通過化學預壓縮的氫合金實現(xiàn)超導。在蘭加·迪亞斯的成果發(fā)布之前，現(xiàn)有的最高溫度超導體是硫化氫，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。

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，足見其成果的突破性，但是在實際應用上，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、高溫高壓下的超導是該領域不同的研究方向，但若能實現(xiàn)常溫常壓的超導，這將是十分震撼的?！?/p>然而在投資的領域，高溫超導項目早已是硬科技投資機構的“座上賓”。該技術之所以得到如此關注，是因為它能對未來產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

超導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。

當超導材料實現(xiàn)超導態(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，當有磁體靠近超導體時，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行約束，現(xiàn)有的托克馬克實驗裝置大多采用了銅導線磁體，運行時間以秒計，而商業(yè)化的聚變堆必須采用超導磁體才能達到連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行的目標，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，采用了上世紀末已經(jīng)成熟的低溫超導磁體技術，體型龐大且投資巨大，是目前最大的國際合作項目。近年來高溫超導材料開始成熟，其在強磁場下的特性遠超低溫超導材料，構建的高溫超導磁體場強幾倍于低溫超導磁體，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年預期的遙不可及且投資巨大的聚變項目變成了10年預期且投資可控的風投熱點。

總之，中科創(chuàng)星認為，超導材料一旦得到普及應用，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，得到改善。而常溫常壓的超導應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

超導材料的前景在哪？

在米磊看來，超導技術的價值可能不亞于半導體材料。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同：“超導技術對于我們核聚變領域來說，作用非常重要。一個好的超導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堆的設計難度?！?/strong>

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

低溫超導材料方面，受益于ITER項目的拉動，經(jīng)過不懈的努力西部超導公司在低溫超導材料和低溫超導磁體方面已達到了國際一流，成為了ITER聚變磁體的超導材料核心供應商。低溫超導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、超導儲能等領域也有斬獲。

近年來國際上ReBCO高溫超導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)了聚變領域新的采用高溫超導強場磁體的緊湊型托克馬克聚變路線，10年預期下的聚變路線圖激發(fā)了該領域極大的創(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。”米磊主導中科創(chuàng)星從去年開始大力布局高溫超導材料方向，“現(xiàn)在已經(jīng)投了三家高溫超導材料上下游公司，只是沒想到這個方向這么快又火了?！?/p>

「星環(huán)聚能」是國內(nèi)首家以風險投資驅動的商業(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計、建設、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，即將嘗試進行放電實驗。

△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，該裝置的目標是驗證公司的重復重聯(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，公司預計將于2026年開始建造商業(yè)示范裝置，該裝置的目標是跑通聚變發(fā)電的全部過程。

「翌曦科技」則是一家從事高溫超導磁體研發(fā)的公司。該公司基于現(xiàn)有的ReBCO高溫超導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?！霸赟PARC百億的研發(fā)預算中，高溫超導磁體的支出預計占到50%?！鄙虾＝煌ù髮W電子信息與電氣工程學院長聘教授、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高溫超導研究團隊，團隊支撐的上海超導公司研發(fā)的的高溫超導材料逐步成熟并形成了產(chǎn)業(yè)化，目前已達到國際一流水平，是國內(nèi)外多個聚變項目高溫超導材料的核心供應商。緊湊型聚變路線的興起引發(fā)了高溫超導領域的巨震，由于單個緊湊型聚變項目高溫超導材料的用量都達到了近萬公里，使得高溫超導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材料成本的快速下降，原來高不可攀的高溫超導材料一下變得親民了，高溫超導的應用場景正在變得越來越多，超導電力、超導節(jié)能、超導磁懸浮、超導醫(yī)療等等，高溫超導產(chǎn)業(yè)正在迎來春天。

△翌曦科技超導磁體

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

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

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

「星環(huán)聚能」CEO陳銳認為， 目前可控核聚變領域最常用的是釔鋇銅氧體系的超導材料。“可控核聚變對超導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)于清華大學工程物理系核工程與核技術專業(yè)，后又前往悉尼大學進修，獲得碩士和博士學位。2021年，他與清華大學工程物理系副教授譚熠依托清華大學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用性有幾何目前仍存疑。

「翌曦科技」金之儉認為，三元镥氮氫體系離實用還非常遙遠，超導材料在實際應用中還要關注材料本身的穩(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材料亮相。

此外，對于镥氮氫體系實現(xiàn)超導的條件，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，但是在實際應用中就比較困難。有文章稱該壓力可以通過材料結構本身實現(xiàn)，但這種途徑實現(xiàn)的壓力屬于‘化學壓力’，即元素結構不匹配造成的內(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上可以表述為“近常壓”，但還是難以直接應用于實際情況，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計，快速完成材料升級?！标愪J表示，這是學業(yè)和業(yè)界都樂意見到的。


因此，蘭加·迪亞斯的實驗結果對于凝聚態(tài)物理的意義遠大于超導實用技術，金之儉告訴中科創(chuàng)星，“他發(fā)現(xiàn)了一個尋找高溫超導材料的新途徑，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材料?！?/strong>

超導材料——引領未來的投資方向

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

“美國的技術突破不是靠一兩天的時間實現(xiàn)的，他的背后是無數(shù)科學家?guī)资?、上百年的積累?？蒲惺且粋€需要耐心進行長期積累的事，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。

學術尚且如此，對于投資則更甚。

站在投資的角度，超導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可。

但這并不妨礙學界對超導技術的研究，國內(nèi)也有非常多的科學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和追求?！艾F(xiàn)在大家只看到了技術突破，但是我們更需要默默耕耘的人?！泵桌谡J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，常溫超導體技術依然是全社會的期待，該技術的成熟必定會引領一場世界范圍的技術革命。在此之前，我們要對技術保持警惕和敬畏，也不能丟下對它的憧憬。

參考資料：

1.關于三峽水電站上網(wǎng)電價和輸電價格有關問題的通知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軍者

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