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如果有一种材料可以实现常温常压下的超导,并且获取相当容易,那么能对世界产生什么样的影响?

Vtl
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超导的大规模应用,很可能是人类文明下一次大规模科技革命的引擎之一,无论是能源革命、产业革命,还是社会变革。


人类历次大踏步地发展,都构建在能源革命的基础之上。

第一次工业革命也叫蒸汽时代,人类使用煤作为能源,通过蒸汽机提供动力,人类第一次脱离人力水力风力的限制,拥有了推动机器运转的能力,开始步入机器大工业时代。

这也加速了资本主义取代封建专制的过程,让人类结束了农耕社会,进入工业生产和商品交易为主导的市场经济秩序。

第二次工业革命也叫电气和内燃机时代,人类使用石油、电力作为能源,在内燃机和电动机的动力牵引下实现了进一步的发展,通信、照明、家电等行业开始发展壮大。

第三次科技革命可以用信息时代和新能源时代来形容,半导体引领了芯片、电脑、手机的发展,提升了人类世界丰富多彩的软环境,风电、光伏、核能等在提供能源的同时,也兼顾了环境保护。

超导最吸引人的特性是零电阻,除了在电力传输中的巨大潜能外,也可以用超导材料建设超大规模的磁体,用于可控核聚变中托卡马克装置的磁约束,迅速加快可控核聚变的研究速度。

当人类有了可控核聚变作为能源后,人类文明就正式步入了“无限能源”和“绝对清洁”的时代,给人类的星际探索铺平道路,至少可以让人类离开地球,在整个太阳系内部进行大规模的开发。

因为人类的活动从地球延伸到了整个太阳系,蛋糕变得更大,国家之间的矛盾也会极大缓解,先进的国家可以转而探索其它星球,而非在地球上掠夺其它国家的资源,压制其它国家的发展。

有了可控核聚变带来的无限能源,全世界的大部分工作都可以在能换推动下由自动化智能化的机器完成,这可以加速生产力的提升,让人类过渡到向往的共产主义世界,进入比资本主义更先进的社会体制中。

除了能源革命外,超导带来的产业革命也是很显著的:

完全抗磁带来的悬浮特征,可以用于磁悬浮列车等场所;超导器件(约瑟夫森结)可以制作高精度探测器、滤波器,以及量子模拟和量子计算的基本元件(超导量子比特);核磁共振等仪器的成本也会极速下降……


不过现实中,即使实现常温常压超导,距离大规模应用可能还是会有一段距离(下面可能会涉及一些专业概念)

目前主流的高温超导体系,是在3d过渡金属(Cu,Fe,Mn等)和第六主族元素(O,Se,Te等)形成的化合物的基础上,掺杂稀土等元素形成的,铜氧化物和铁基超导都属此类。这次韩国的成果之所以比印度和美国更有可信度,就是因为它没有脱离目前人类认知的主流高温超导体系(CuO体系)

这种高温超导体系的理论机制,来自强关联的电子—电子耦合,而非传统超导体的电-声子耦合(BCS效应),不是搞强关联和量子相变的人可能听不太懂,不过Mott绝缘体很多人应该在上课时听到过。

但是问题在于,这种高温超导体系的材料,现实中更接近陶瓷的性质,硬度高但是延展性差,通俗来说就是特别脆,遇到弯折、形变等情况很容易破损甚至断裂。

这一点极大限制了此类高温超导材料的使用范围,只有延展性高的金属和合金材料,才能胜任长距离输电的使用环境,即使大幅度摇晃弯折也不会轻易断裂;磁铁的制作也会涉及绕线圈的过程,陶瓷材料同样存在破损断裂的风险。

另外,这种金属氧化物掺杂得到的超导材料,在理论上大多是d波、s+-波、甚至f波的形式,总之就是超导态不够稳定。作为对比,传统的金属超导态一般是s波。

因为超导态不够稳定,临界电流和临界磁场就不够大,很容易回到正常态,这会限制超导在输电和磁体领域的应用。这一点实验人员在临界电流、临界磁场、超导能隙、比热跳变的测量中应该也能感受到,目前高温超导材料的超导稳定性是不如传统金属合金的。


也就是说,人类可能接近了常温常压超导的实现,但却走了一条不太希望的路径和科技树。

就好比一个人想去西湖,他也成功走到了湖边,但到了湖边他发现,自己没走到断桥、雷峰塔这些景点的岸边,而是走到了一片不知名的、芦苇丛生的、蚊虫特别多的湖岸。

因为这种尴尬的处境,在铜氧化物和铁基超导实现后,明明这些材料的Tc(超导转变温度)已经超过了液氮,可以使用成本低廉的液氮冷却,但目前主流的核磁共振仪和托卡马克装置,仍然使用金属或者合金绕线圈做成超导磁体,并使用成本高昂的液氦进行冷却。

一部分研究人员也因此重新转向了传统金属-合金体系的超导研究,虽然这类体系的Tc很低,但确实这类系统更符合人类的应用需求。

不过这不代表人类目前的超导研究是不成功的,科学就是在不断试错中带动人类文明前进的,先实现从无到有的过程,再思考质量的高低和应用广泛的程度。

另外,如果制作工艺能够得到提升的话,目前主流的高温超导材料,临界电流和临界磁场同样可以提升很多,之前的理论和实验研究,也可以为寻找更好的超导材料提供借鉴意义。

个人观点,供参考。

发布于 2023-07-27 13:09・IP 属地辽宁
很无名少年
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