人類的能源未來(lái)，可能取決于高溫超導(dǎo)（HTS）導(dǎo)線。這項(xiàng)技術(shù)能夠在高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體所需的溫度下無(wú)阻抗地傳輸電力，它可以徹底改變電網(wǎng)，甚至實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變。然而，要實(shí)現(xiàn)這些大規(guī)模應(yīng)用，就必須制造出性價(jià)比與五金店出售的普通銅線相當(dāng)?shù)腍TS 線材。

　　由美國(guó)紐約布法羅大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的新研究正在推動(dòng)向這一目標(biāo)靠近。今年8 月，研究團(tuán)隊(duì)將成果發(fā)表在《自然通訊》專業(yè)期刊上。該論文報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)制造出了世界上性能最高的HTS 線段，同時(shí)使性價(jià)比指標(biāo)大大提高。

　　研究團(tuán)隊(duì)的導(dǎo)線以稀土氧化鋇銅（REBCO）為基礎(chǔ)，在5 開爾文到77 開爾文的所有磁場(chǎng)和溫度范圍內(nèi)，達(dá)到了迄今為止最高臨界的電流密度和釘住力（分別是承載的電流強(qiáng)度和釘住磁渦流的能力）。這個(gè)溫度范圍仍然非常寒冷，為零下451 華氏度到零下321 華氏度，但仍高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體工作的絕對(duì)零度。

　　該研究的通訊作者，紐約州立大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院化學(xué)與生物工程系特聘教授兼紐約州立大學(xué)帝國(guó)創(chuàng)新教授Amit Goyal 博士說(shuō)：這些結(jié)果將有助于指導(dǎo)業(yè)界進(jìn)一步優(yōu)化沉積和制造條件，從而大幅提高商用涂層導(dǎo)體的性價(jià)比。要想充分實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的眾多大規(guī)模應(yīng)用，就必須使性價(jià)比指標(biāo)更加有利。

　　HTS 線材應(yīng)用廣泛

　　HTS 線材的應(yīng)用包括能源生產(chǎn)，如將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量提高一倍；電網(wǎng)級(jí)超導(dǎo)磁能存儲(chǔ)系統(tǒng)；能源傳輸，如在大電流直流和交流輸電線路中無(wú)損耗傳輸電力；以及以高效超導(dǎo)變壓器、電機(jī)和電網(wǎng)故障限流器的形式，提高能源效率。

　　HTS 線材的一個(gè)小眾應(yīng)用——商業(yè)核聚變，具有產(chǎn)生無(wú)限清潔能源的潛力。僅在過(guò)去幾年中，全球就成立了約20 家私營(yíng)公司來(lái)開發(fā)商業(yè)核聚變，僅為開發(fā)這一應(yīng)用的HTS 線材就投入了數(shù)十億美元。

　　HTS 線材的其他應(yīng)用包括用于醫(yī)學(xué)的下一代MRI、用于藥物發(fā)現(xiàn)的下一代核磁共振，以及用于眾多物理應(yīng)用的高場(chǎng)磁鐵。此外，還有許多國(guó)防應(yīng)用，如開發(fā)全電動(dòng)船舶和全電動(dòng)飛機(jī)。目前，全球大多數(shù)制造千米長(zhǎng)高性能HTS 導(dǎo)線的公司，都在使用Goyal 及其團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的一種或多種平臺(tái)技術(shù)創(chuàng)新。

　　這些技術(shù)包括軋制輔助雙軸紋理基片（RABiTS）技術(shù)、LMOe 支持的離子束輔助沉積（IBAD）氧化鎂技術(shù)，以及通過(guò)同步相分離和應(yīng)變驅(qū)動(dòng)自組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)間距的納米柱狀缺陷。最近，《超導(dǎo)體周刊》對(duì)Goyal 進(jìn)行了采訪，重點(diǎn)介紹并討論了這些技術(shù)的細(xì)節(jié)。

　　創(chuàng)世界紀(jì)錄的臨界電流密度和引力

　　在《自然通訊》雜志上報(bào)道的這項(xiàng)研究工作中，Goyal小組報(bào)告了基于REBCO 的超高性能超導(dǎo)線纜。在4.2 開爾文溫度下，HTS 導(dǎo)線在沒(méi)有任何外部磁場(chǎng)（也稱為自場(chǎng)）的情況下每平方厘米可傳輸1.9 億安培電流，在7 特斯拉磁場(chǎng)下每平方厘米可傳輸9000 萬(wàn)安培電流。

　　在溫度更高的20 開爾文（商業(yè)核聚變的預(yù)期應(yīng)用溫度）下，導(dǎo)線每平方厘米自場(chǎng)仍可攜帶超過(guò)1.5 億安培的電流，在7 特斯拉磁場(chǎng)下每平方厘米可攜帶超過(guò)6 千萬(wàn)安培的電流。就臨界電流而言，這相當(dāng)于在4.2 開爾文條件下，4 毫米寬的線段在自場(chǎng)條件下具有1500 安培的超級(jí)電流，在7 特斯拉條件下具有700 安培的超級(jí)電流。在20 開爾文時(shí)，自場(chǎng)電流為1200 安培，7 特斯拉時(shí)為500 安培。

　　值得注意的是，該團(tuán)隊(duì)的HTS薄膜雖然只有0.2微米厚，但其電流強(qiáng)度卻可與HTS 薄膜厚近 10 倍的商用超導(dǎo)線纜相媲美。在釘住力方面，這些導(dǎo)線顯示出很強(qiáng)的釘住或固定磁渦旋的能力，在4.2 開爾文和20 開爾文的7 特斯拉磁場(chǎng)下，釘住力分別為每立方米約6.4 太牛頓和每立方米約4.2 太牛頓。

　　這是迄今為止在5 開爾文到77 開爾文的所有磁場(chǎng)和工作溫度下，臨界電流密度和引力達(dá)到的最高值。Goyal 說(shuō)：這些結(jié)果表明，在優(yōu)化的商用HTS導(dǎo)線中，仍有可能顯著提高性能，從而降低相關(guān)成本。

　　如何制造高性能金屬絲

　　HTS線段是在采用離子束輔助沉積氧化鎂技術(shù)的襯底上，通過(guò)同時(shí)采用相分離和應(yīng)變驅(qū)動(dòng)自組裝技術(shù)，利用納米柱缺陷制造出來(lái)的。自組裝技術(shù)允許在超導(dǎo)體內(nèi)以納米級(jí)的間距加入絕緣或非超導(dǎo)納米柱。這些納米缺陷可以抑制超導(dǎo)渦流，從而產(chǎn)生更大的超電流。

　　Goyal 說(shuō)：稀土摻雜、氧點(diǎn)缺陷和絕緣鋯酸鋇納米柱及其形態(tài)所產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)共同作用，使得高臨界電流密度成為可能。Goyal 所在研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室博士后Rohit Kumar補(bǔ)充說(shuō)：HTS 薄膜是通過(guò)精心控制沉積參數(shù)，使用先進(jìn)的脈沖激光沉積系統(tǒng)制成的。

　　在脈沖激光沉積過(guò)程中，激光束撞擊目標(biāo)材料并燒蝕材料，然后在適當(dāng)放置的基底上沉積成薄膜。Goyal 說(shuō)：此外，我們還使用加拿大麥克馬斯特大學(xué)電子顯微鏡中心先進(jìn)的顯微鏡進(jìn)行原子分辨率顯微分析，以確定納米柱狀和原子尺度缺陷的特征，并在意大利薩勒諾大學(xué)進(jìn)行了一些超導(dǎo)特性測(cè)量。

　　海軍研究辦公室為這一基礎(chǔ)研究提供了支持，以開發(fā)優(yōu)質(zhì)HTS 導(dǎo)線。Goyal 是該項(xiàng)目的首席研究員。Goyal 的研究對(duì)HTS 領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，無(wú)論是在基礎(chǔ)材料科學(xué)方面，還是在科學(xué)發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的過(guò)渡方面。

　　由于對(duì)高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，他當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家工程院院士。他撰寫或與人合作撰寫了360 多篇技術(shù)出版物，包括45篇特邀專著章節(jié)和論文，并與人合作編輯了6本書。他在國(guó)內(nèi)和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表過(guò)30 多次全體演講和主題演講，以及180多次特邀演講。他擁有88項(xiàng)已授權(quán)專利，其中包括70項(xiàng)美國(guó)專利和18 項(xiàng)國(guó)際專利，還有20 多項(xiàng)專利正在申請(qǐng)中。1999-2009 年，他是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域全球引用次數(shù)最多的作者。

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