石墨

真的发现石墨烯常温超导形态了吗超高压输电

发布时间:2024/12/26 16:42:31   
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两年前,在麻省理工学院学习的中国留学博士生曹原发表了两篇高质量的论文,阐述了将两层石墨烯的堆叠角度确定在1.1度左右时,石墨烯的物理特性会发生质的转变,转化为超导体,即没有电阻的状态,在这当时引起了科学界的轰动。毕竟在本世纪初,两位俄裔科学家就曾经因为创新性地进行获取“单层石墨烯”实验,而获得年的诺贝尔物理学奖。假如通过应用石墨烯制备了常温的超导体,那么我们现在所使用的超高压输电技术将无用武之地。那么,真的就像我们想象的那样,超高压输电真的将会变得没有意义了吗?石墨烯本来在自然界中就存在,只不过并非单层结构,而且很难剥离。理论上,根据石墨烯内部碳原子的堆叠结构,可以将其分为多层、少层、双层和单层石墨烯。从微观分子结构看,从石墨材料中,如果应用特殊的方法将碳原子层进行剥离,就有可能会形成单层的碳原子平面二维结构,即单层石墨烯中的碳原子是以SP2杂化轨道所组成,构成了许多呈现蜂窝形的六边形晶格结构。由于石墨烯中的碳原子间的作用力连接非常强,这就使得即使单层的石墨烯的柔韧性非常好,在受到外界施加作用力发生变形以后,碳原子之间不会发生重新排列的情况,所以结构非常稳定,强度也相当高,一般的用石墨烯制成的包装袋可以支撑提起2吨重的汽车。另外,当石墨烯中的电子发生迁移时,也不会因为晶格的缺陷或者外来原子的侵入而发生散射问题,所有具有优良的导电性能和出色的光学特性,因此,在光学仪器制造、航空航天、新能源、传感器、显示器和晶体管制造等领域,有着广泛的应用。前面提到的曹原通过实验获取的双层“魔角”石墨烯,就是我们传说中理想状态化的常温超导体。国内现在普遍采用的超高压输电,就是使用-千伏的电压等级进行电能的输送,由于在一定的输送功率条件下,提高电压的同时就会降低电流,电流的减小就会降低输电线的发热量,从而减小输送过程中的能耗损失,电能的输送效率就会提高,因此应用超高压输电,对于电能的输送特别是中远距离的电能输送,具有非常重大的意义。那么,石墨烯既然具有超强的导电性能,而且还可以在特定的条件下实现“常温超导”,那么是否可以用它做成输电材料,来代替现有的超高压输电模式,从而从根本上降低输送成本呢?可以肯定的说,这只是理想化的状态,从目前看还完全不可行。主要原因就在于常温超导的实现现在还达不到。其中最核心的问题,就是上面提到的双层“魔角”石墨烯实现超导,也是在特殊的条件下实现的,那就是处在-摄氏度的环境,显然在自然状态下,我们根本不可能达到这样的目标。另外,从超导体的形成所必须具备的要求来看,必须要至少满足三个条件,即临界温度、临界磁场强度、临界电流密度,只有当这三个条件同时满足,材料才会成为超导体,一旦有一项指标超过临界阈值,那么超导体就会立即恢复到正常材料的物理状态。拿电力输送为例,即使我们真的研制出了超导材料,替代了现有超高压输电,那么在保障电力输送能力的前提下,大大降低了输电电压,那么在保障一定输送功率的情况下,就必须提高输电电流强度,而电流强度的显著提高,又会极大增加超出超导体临近电流密度阈值的风险,这样的话超导体一瞬间就又重新变回普通材料,材料电阻又重新增大,在这么大的电流条件下,电能的损耗一下子又猛增起来,输电效应就变得奇差无比。所以,从目前的情况下,一方面还无法实现真正的常温超导,另一方面,即使有超导材料,在输电时也会受到各种条件的制约,在现有条件下根本不适合长距离电力的输送,所以根本无法取代超高压输电的相应优势,不过随着技术的突破和日益成熟,在其它领域,以石墨烯为代表的超导体将会发挥更大的作用。

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