改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

科學前沿觀天下 篤學明理洞寰宇

超導材料能夠在沒有任何阻力的情況下傳輸電力,可以徹底改變目前的能源消耗困擾。但迄今為止,研究人員隻能在極低溫度或極端壓力下的少數材料中發現超導性。目前的記錄保持者是一種罕見的氫硫化合物,在203開爾文(-70攝氏度)下實現瞭“高溫”超導性。

不過最近,來自美國、俄羅斯和中國的研究團隊通過實驗證實瞭奇異的全新鈾化合物的存在,並預測這些鈾化合物可以實現接近室溫的超導性。

改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

超導體(superconductor)是指在某一溫度下電阻為零(<10-25Ω)的導體,在輸電和儲能、電子學應用(超導計算機、超導天線、超導微波器件)、抗磁性應用(磁懸浮和熱核聚變反應堆)等方面極具優勢。但問題是超導材料需要極冷條件如絕對零度0 K(-273.1攝氏度)才能工作。

改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

20世紀80年代,科學傢發現某些陶瓷材料如鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料在125 K時具有超導性,將臨界超導溫度提高瞭100 K以上。2015年,德國馬克斯普朗克化學研究所的科學傢們發現硫化氫可以在203 K(-70攝氏度)具備超導特性。之後,科學傢開始尋找其他非金屬中的超導氫化物,氫化物已經成為逐夢超導的科學傢們的目標新材料。

改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

正如充滿希望的非金屬氫化物一樣,目前有充分的理由認為金屬氫化物不應該被忽視。今年早些時候, 莫斯科物理科學與技術研究所(MIPT)和 Skoltech 的物理學傢利用Al技術對錒系系列元素應用瞭一種新算法,確定哪些元素可能形成穩定的氫化物。此後, 該團隊開始關註鈾, 預計由鈾元素制成的氫化物可以成為良好的超導體,且無需承受高壓強。

改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

研究人員給鈾和氫氣的混合物施加高達500萬個大氣壓的壓力,從而形成瞭前所未有的各種各樣的鈾氫化物。隨著壓力的逐漸加大,研究人員成功制備瞭14種全新的鈾和氫的混合物,稱為鈾氫化物,其中一些是多相的,包括UH5,UH6,UH7,UH8,UH9,U2H13和U2H17等。

改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

之前人們熟知的唯一氫化鈾(UH3)是由鈾在氫氣中加熱制得,可用於鈾化合物的合成,曾在20世紀40年代的核實驗中發揮瞭至關重要的作用。這項研究在鈾的氫化物系列中添加瞭更多新成員。

研究結果表明,鈾氫化物在高溫超導性方面具有與非金屬相同的潛力。研究人員表示,“我們的結果有兩個亮點,高壓會產生極其豐富的氫化物,其中大部分似乎“違背”瞭經典化學理論;這些氫化物實際上可以在極低壓力下獲得並成為超導體,甚至可能在大氣壓力下。這些成果不僅僅是學術上的,而且最終可能會解開高溫超導的秘密。”

改變世界指日可待?中美俄合作獲突破,核材料有望實現常溫超導!

目前,這些新型氫化物的超導溫度為-219攝氏度,該團隊認為他們可以通過摻雜其他材料來提高超導溫度,並有望進一步降低壓力,使其更加適宜應用。當然,這並不意味著已經破解瞭超導的秘密,科學傢的最終目標是更好地瞭解不同材料如何實現令人難以置信的超導能力,以構建理想的超導體。

解密超導體的過程是緩慢的,但每一項成果都是通向榮譽殿堂的基石……

參考文獻:Uranium polyhydrides at moderate pressures: Prediction, synthesis, and expected superconductivity,Science Advances,Vol. 4, no. 10, eaat9776,DOI: 10.1126/sciadv.aat9776.

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *