【百年化學 中國篇】 【百年化學 中國篇 No.143】美國人藏著配方不說，中國人一週後向世界公開：93K超導爭

上海最冷的地方在哪裏 不是冬天凌晨的大街 也不是外灘的江峯裏 而是徐家彙地底下 那裏躺着一根電纜 工作溫度零下196攝氏度 這個溫度是什麼概念 一朵玫瑰花扔進去 拿出來往桌上一磕 直接碎成玻璃茶 一根香蕉泡進去 撈出來能當錘子敲釘子 而這根電纜就常年泡在這種環境裏 沿着1.2公里的地下館廊 給地面上的徐家彙商圈 上海體育館周邊的49000戶人家送電 地面上人流如汁 商場空調開得足 奶茶店排着長隊 沒人知道自己腳底下 踩着全中國最冷的一條輸電通道 2021年12月22日 這條世界首條 35千伏公里級高溫超導電纜正式上崗 名字裏帶着高溫兩個字 乾的卻是整個電網裏溫度最低的活 光憑這個反差 它就值得被講一遍 不過故事得從一個更接地氣的問題開始 電線爲什麼會發熱 這個問題你絕對見過實物 手機充電頭摸多了燙手 電爐絲燒紅了能烤肉 老式插線板用久了 散發着一股焦香味 電走一路 熱一路 能量就這麼明晃晃的燒掉了 初中物理管這個叫焦耳定律 發熱量等於電流的平方乘電阻乘時間 注意是電流的平方 也就是說電流翻倍 發熱直接翻四倍 屬於典型的越忙越虧 城市中心區的電纜 動不動扛着上千安培的電流 相當於幾萬個電爐絲同時開工 只不過這些熱 讓一分錢電費都掙不回來 純純的電費刺客 那電阻到底是從哪冒出來的 把一根銅線放大到原子尺度看 裏面根本不是一根空管子 而是密密麻麻的銅原子排成的晶格 像一操場佔均資的士兵 電流是什麼 是一群電子在對列縫隙裏趕路 電子個子小 但架不住士兵們全在原地哆嗦 這就是原子的熱振動 溫度越高 哆嗦的越歡 電子沒走幾步就撞上一個亂動的原子 撞一下方向 亂一分 能量 丟一分 一萬個電子的一次碰撞雷加起來 宏觀上就成了電阻 丟掉的能量就成了熱 說白了 電阻就是電子在晶格早高峯裏堵車的油錢 堵得越狠 車費越貴 順着這個思路往下想 方案呼之欲出 把溫度往死裏降 讓所有原子動得不敢動 路不就空了嗎 想法很美好 但真正動手的人幹得更絕 1908年 荷蘭萊頓大學的卡莫林·昂內斯 把氦氣液化了 氦是地球上最難液化 沸點最低的氣體 液化它 等於人類第一次握住了 液氦只有4.2開 約合零下269攝氏度 三年後 1911年 昂內斯拿着這把鑰匙去捅一個新問題 金屬冷到極限 電阻會變成啥樣 當時學界分成兩派吵得不可開交 一派說電阻會慢慢降到0 另一派說電子會被凍僵 電阻反而飆升 昂內斯選了水銀做實驗 因爲汞容易提純 測出來的數據乾淨 結果兩派全猜錯了 溫度降到4.2開附近 汞的電阻既不慢慢變小 也沒變大 而是啪的一下直接跳水 瞬間跌到儀器測不出來的水平 電阻不是劍動 是猝死 連個緩衝都沒有 昂內斯給這種狀態起名超導 兩年後諾貝爾獎到手 更離譜的還在後面 1933年 德國人麥斯納發現 超導體不光電阻爲0 還會把鑽進體內的磁場原樣吐出來 體內磁場永遠保持爲0 一塊進入超導態的材料放到磁鐵上 能自己懸浮在半空 穩得像粘在看不見的架子上 你在科技館看到的超導磁懸浮表演 底庫就是這條定律 0電阻加完全抗磁性 超導體的兩張身份證算是齊了 可電阻憑什麼歸零 這個謎題整整懸了46年 1957年 三位美國物理學家 巴丁 庫珀 施裏弗 給出了第一個能打的解釋 史稱BCS理論 三人後來分了1972年的諾貝爾獎 這個理論的核心劇情非常反直覺 在特定低溫下 兩個電子居然能處上對象 電子都帶負電 同性相斥 按理說見面就互相拉黑 但在金閣這座大宿舍裏 劇情反轉了 一個電子跑過去 會順手把路上帶正電的原子核 往自己這邊拽一下 在身後留下一小片正電荷復集區 另一個電子路過 發現這地方電性疑人 就湊了過來 一拉二去 兩個電子通過金閣這個媒婆 間接牽手 組成一對物理學叫庫珀對 落單的電子是費米子 天生射孔加路癡 走到哪 撞到哪 配成對之後性質突變 升級成波瑟子 而波瑟子有個獨門絕技 無數對電子可以擠進同一個量子臺 像一支軍訓過的合唱團 所有人踩着同一個拍子齊步走 這樣的隊伍碾過金閣 不再各自亂撞 而是整體滑行誰也攔不住 宏觀上看 堵車沒了 電阻清零 油錢全省 BCS理論大獲成功 順手卻給人類畫了個天花板 按這套理論推算 靠金閣振動牽線的庫珀對 超導臨界溫度撐死40K 這就是著名的邁克米蘭極限 40K比液氮還冷一大截 想維持它只能燒液氦 而氦氣在地球上稀缺的離譜 空氣裏幾乎不寒 主要從天然氣半生礦裏分離 價格貴到實驗室肉騰 用液氦養超導 就像拿茅臺澆花 技術上完全可行 賬面上全是眼淚 所以大半個世紀裏 超導一直是昂貴的實驗室玩具 粒子對撞機 核磁共振儀 各個都是剋星項目 普通工程想都不敢想 轉機出現在1986年 來自一個誰都看不上的角落 瑞士 IBM 蘇黎世實驗室的勃諾茲和繆勒 在藍被同仰 這種黑乎乎的陶瓷裏 看到了三五開的超導跡象 陶瓷是什麼 絕緣體裏的釘子糊 電阻大到能當絕緣紙用的主 居然超導了 而且一腳踹穿了邁克米蘭極限 全球物理學界當場炸鍋 兩人第二年就拿了諾貝爾獎 速度快的破了記錄 接下來就是超導史上 最瘋狂的幾個月 劇情緊張得像諜戰片 1986年底 中國科學院物理研究所的 趙忠賢團隊 幾乎與國際同行同步 在藍被同仰體系裏 拿到40開以上的超導體 還捕捉到了70開附近 存在轉變的跡象 當時國內的實驗條件 跟國外差着待機 缺設備就自己造 懶進度就通宵幹 困了在椅子上眯一會接着測 團隊反覆實驗後意識到 原料裏某種雜質 可能就是新超導象的本體 順着這條線索 摸到了被異同仰體系 1987年2月19日深夜 他們在這類材料裏測到了 93開的穩定超導轉變 93開 人類第一次把超導 抬進液氮溫區 幾乎同一時期 美國休斯敦大學的朱金武 與吳茂坤團隊 也獨立做出了同類材料 美方2月16日 搶先宣佈了結果 但出於競賽心態 藏着成分沒說 2月24日 中國科學院召開發佈會 趙中賢團隊 在全世界第一個公開了真實配方 以被 同 仰 同年3月 趙中賢站上美國物理學會 年會的講臺做特邀報告 那是那個年代 中國科學家極少有的國際牌面 這位後來被叫做 北京的趙的物理學家 此後幾十年 一直泡在高溫超導裏 2024年 戴上了人民科學家 國家榮譽稱號獎章 不過人事光環都是後話 真正改寫遊戲規則的 是那個黑乎乎的化學式 江湖人稱YBCO 93K這個數字 爲什麼指一個化時代 因爲它跨過了77K這條生死線 也就是液氮的溫度 氮氣佔空氣的78% 液氮是空氣分離工業的 白菜價副產品 一升的價格 只有液氦的幾十分之一 便宜到趙中賢形容 它可以像打熱水一樣打一瓶 製冷成本 從茅臺跳水到白開水 超導工程化的大門 纔算真正被踹開 今天醫院的核磁共振儀裏 泡的仍然是液氦 伺候的是低溫超導材料 而城市電網敢惦記超導 全靠乙備銅氧這一家子 把門票價格打了下來 現在上硬菜 這種黑色陶瓷 憑什麼能在零下180度 讓電阻消失 先拆化學式 看結構 乙備銅氧的晶體是層狀結構 你可以把它想象成 同一種三層小樓 豎直堆起來的大廈 每層小樓裏最金貴的是 兩層銅氧面 銅原子和氧原子 這就是超導電流的高速公路 庫珀隊全在這條路上飆車 兩層銅氧面 中間夾着乙原子 樓層上下是備和氧 組成的銅氧鏈 乙和備基本不碰導電業務 決策是結構支架 夾在流子倉庫 負責撐穩樓層 順便調節往高速公路上 放多少車 整條流水線的靈魂 始終是那兩層銅氧面 再看化學式尾巴上那個德爾塔 它是整個材料的油門 乙備銅氧化學式的意思是 氧原子可以比7個滿編名額少一點 缺多少 德爾塔就是多少 別小看這點氧的進出 它直接決定路上能跑多少車 氧含量合適時 德爾塔在0.1上下 銅氧面上的在流子 具體說是空穴 濃度恰到好處 臨界溫度衝到93開 性能拉滿 氧再少一點 在流子不夠用 材料進入欠摻雜狀態 超導溫度一路下滑 掉到一定程度 超導直接消失 退化回絕緣體 氧硬塞太多也不行 在流子過剩 過摻雜狀態下 溫度照樣掉頭向下 這材料對配方的挑剔程度 堪比米其林後廚 氧多一克少一克都是事故 所以工廠製備乙備銅氧 最後一道工序必然是退火 把材料放在氧氣氛圍裏 慢慢微着 讓氧原子不多不少 各就各位 這哪是燒結 這是給晶體調呼吸 那銅氧面上到底發生了什麼 能讓電子在93開還肯配對 這裏要給科學留一個誠實的缺口 高溫超導的完整激勵 至今都是物理學界 懸賞多年的頭號懸案 可以確定的是 以備銅氧裏的電子配對 跟BCS庫破對有家族相似性 但配對方式更有個性 傳統超導體的配對波函數 是各項同性的S波 圓滾滾一個球 銅氧化物的配對是D波 形狀像一朵絲般的花 有正有負 至於牽線的媒婆 還是不是晶格振動 學界吵了快40年 目前主流懷疑對象 是電子之間的磁相互作用 電子靠鄰居的自旋掌握 互相借力 而不是靠晶格哆嗦 這個故事還沒寫完 誰要是徹底講明白了 斯德哥爾摩大概率 要再撥一次電話 好在工程不等人 機裏沒炒完 材料已經可以量產了 這在科學史上也不稀奇 飛機滿世界飛到今天 川流理論照樣是半本糊塗賬 材料有了 下一個問題更現實 怎麼把一坨脆陶瓷 變成一公里長的電纜 陶瓷的物理脾氣大家都熟 碗掉地上就碎 銅能拉絲 是因爲金屬原子層之間 可以滑移 軟 以備銅氧是氧化物陶瓷 硬而脆 想把它拉成千米級細絲 材料學會當場掀桌 工程師的破局思路非常乾脆 拉不動就不拉 改鍍 第二代高溫超導帶材的本質 就是在一根柔軟的金屬帶子上 用鍍膜的工藝 長出一層備銅氧 給金屬附個膜 這條帶子是個層層套娃的結構 最底下是金屬基帶 涅烏合金或者哈氏合金 幾十微米厚 負責提供機械強度 相當於整卷帶材的腰 基帶往上是緩衝層 幾層氧化物薄膜 任務有兩個 一是化學隔離 擋住金屬原子往超導層裏亂竄 二是鋪設模板 這個模板 就是整個工程裏最要命的一環 織構 爲什麼要模板 因爲以備銅氧有個先天殘疾 超導電流在單個精力內部跑得歡 可精力和精力之間的精界 電流走到這直接卡死 這叫弱連接效應 想讓整條帶子從頭到尾通大電流 就必須讓億萬個精力 全都朝同一個方向站隊 排列的像閱兵方陣 取向偏差不能超過幾度 怎麼讓陶瓷精力排隊 從地基做起 先讓緩衝層長成單一取向的晶體 主流路線有兩條 一條是把金屬基帶反覆閘置退火 直接壓出織構 一條是用傾斜的離子束 一邊烘一邊沉積 硬生生把薄膜烘出整齊對形 然後以倍銅氧在這層模板上外延生長 一層原子一層原子照着對形碼上去 最終長出的以倍銅氧薄膜 只有一兩微米厚 比A4紙薄幾十倍 但每平方毫米能扛住上百安培電流 載流能力是同樣截面積銅導線的幾十倍 薄膜上面再鍍銀保護層 包銅穩定層 一卷幾百米長 指甲蓋寬的二代高溫超導帶材纔算出場 到這裏還差最後一道保險 因爲超導體在磁場裏有個老對手 第二類是硬骨頭 磁場強了也不全退 而是放磁力線鑽進來 化身成一根根量子化的磁通線 定在體內 每根磁通線中心是一小段失去超導的正常區 周圍環繞着渦旋狀電流 學名叫磁通渦旋 電纜裏電流大 自帶磁場強 渦旋自然少不了 麻煩在於 傳輸電流會對渦旋施加洛倫茲力 橫着推它們走 渦旋一挪渦 就在材料裏攪出能量損耗 好不容易把電阻幹到零 結果被幾根磁力線偷了家 這口氣誰能咽 工程師的對策是給渦旋打樁 在以倍同氧波膜沉積時 故意摻進納米尺度的異物 比如鈣酸銘 讓它們在晶體里長成一根根納米柱 這些納米柱對渦旋來說 就是定在地裏的樁子 渦旋想挪位置 得先從樁子上正託 正託要耗能 不划算 索性原地躺平 渦旋被定死 電流就推不動它 損耗自然壓下去了 這套操作學名叫磁通釘扎 納米柱叫人工釘扎中心 大綱裏說的 強磁場下保持高臨界電流 靠的就是這群納米級的樁子 帶材捲成電纜芯 外面還得套件恆溫的冬衣 整條電纜從內到外大致是 骨架上多層繞包超導帶材 外面裹絕緣 在外面是真空多層絕熱的低溫度瓦管 液氮在管道加層裏循環流動 把電纜芯始終摁在零下196度的恆溫浴缸裏 沿線配置冷佔不冷 說白了 這就是一根一米口徑的巨型保溫瓶 裏面洞着一條會輸電的芯 聽着複雜 但液氮加真空絕熱這套組合 在工業氣體行業早已成熟的近乎土味 成本可控 維護不難 這是液氮溫區超導最現實的溫柔 材料 帶材 電纜 製冷 四環湊齊才輪到上海登場 這條1.2公里的電纜不是橫空出世 2003年 上海電纜研究所拉起一支超導電纜公關團隊 三代人 磨了快20年 2013年12月 國內首套50米 35千伏低溫絕緣高溫超導電纜掛網 算是拿到了電網的入場券 此後八年 帶材國產化和長距離工程化的硬骨頭一根根被啃掉 到2021年底 工理級示範工程落進徐彙區的地下管廊 賬面數據相當能打 全長1.2公里 設計電流2200安培 額定輸送容量133兆伏安 一根超導電纜的輸電能力相當於同電壓等級常規電纜的4到6倍 換成民生賬 它一條線養着4.9萬戶人家 年供電量約1.8億度 換成空間賬 它省下約七成地下管廊面積 在徐家彙這種地下空間比車位還金貴的市中心 等於憑空變出幾條電纜通道 換成碳賬 滿負荷運行能比常規方案削減約14%的碳排放 2023年8月18日 這條線路運行容量衝到133.6兆伏安 刷新全球商用超導輸電工程最大實際運行容量的世界紀錄 到2024年秋天 它已經連續無故讓運行超過1000天 穩穩送出接近4.9億度電 當然科學問題得科學地說 超導電纜不是字面意義的零損耗 電纜跑的是交流電 超導層在交變磁場裏會產生交流損耗 被定住的渦旋也會小幅顫動發熱 製冷系統本身還要吃電 把製冷功耗和交流損耗全算上 這條線路滿負荷的綜合損耗 大約只有同容量常規電纜的三分之一 注意 是三分之一 不是零 但架不住對手基數太大 常規電纜幾千安培燒出來的焦耳熱是天文數字 砍掉三分之二 剩下的依然是降維打擊 而且負荷越重 超導省得越狠 越是城市中心那種高負荷走廊 這根冷電纜就越划算 講到這 可以回頭扎摸一下整條鏈條 100多年前 昂內斯在液氦裏看見拱的電阻跳水 那時候超導是純之又純的基礎科學 沒人知道它能幹嘛 40多年後 三個理論家用一對牽手的電子姐試了這場跳水 順手畫了條40開的天花板 又過30年 一塊誰都瞧不上的黑陶瓷砸穿天花板 中美兩個實驗室在同一星期裏 把超導拽進液氮溫區 中國人第一個爆出了它的化學史 再往後30年 材料學家學會給着陶瓷調養呼吸 工程師學會讓億萬個精力排隊 給磁通渦旋打樁 最終讓一坨脆陶瓷 化身千米長的疏電動脈 躺進上海市中心的弟弟 安安靜靜給幾萬戶人家送電 順便破了世界紀錄 基礎物理 晶體化學 材料工藝 低溫工程 四層知識 一層疊一層 缺了哪一層 徐彙區地下這根電纜 都只能是PPT裏的插圖 這大概就是超導最迷人的地方 它從宇宙最冷的角落出發 最後暖的是人間燈火 至於未來 同樣的帶材繞成磁體 可以託舉時速600公里的磁懸浮列車 可以塞進可控核聚變裝置 約數上億度的等離子體 可以讓核磁共振看得更清楚 而懸在所有人心頭的終極問題 依然是那個 室溫超導到底存不存在 材料學家還在一個又一個新體系裏翻找 硫化氫在超高壓下 已經摸到零下70度 涅氧化物這幾年也頻頻爆出新聞 沒人知道答案 但歷史演示過一次 1986年之前 全世界也都覺得四十開是天條 而此時此刻 徐彙區地下那根零下196度的電纜 還在靜靜的輸電 不吵不鬧不冒熱氣 把堵車一個世紀的電子 排成一隻安靜滑行的大軍 從你身邊的地底 開向燈亮的地方