Глава 850. 318651 кПа Комнатная сверхпроводимость •
Синтезировать материал с помощью нанотехнологий - не очень сложная задача.
Но точная манипуляция каждой областью материала, легирование элементами серебра и хрома, а также точная настройка укладки и скручивания поверхности материала, и обеспечение того, чтобы все было одинаково, - это довольно сложная работа.
В ожидании обработки основного материала оксида меди в машине для электронно-лучевого напыления, Сюй Чуань также подготовил легирующие материалы и оборудование.
Подождав около двух часов, после того, как машина для электронно-лучевого напыления завершила обработку поверхности кристаллический пленки основного материала оксида меди, он перенес этот основной материал в систему осаждения из паровой фазы с лазерным наведением sc.
Сверхчистые серебро и хром, обработанные в оборудовании, изолированном от кислорода, также были одновременно отправлены в эту систему, ожидая легирования.
Так называемая система осаждения из паровой фазы с лазерным наведением sc - это и есть ядро для достижения комнатной сверхпроводимости.
Она состоит из двух частей.
Первая часть - это плавление и испарение материала, который необходимо легировать, с помощью средств постоянного тока, пар охлаждается или вступает в реакцию при встрече с окружающим газом, образуя наночастицы.
Вторая часть - это прямой путь превращения пара в кристалл, с помощью ультрафиолетового лазера, направляющего эти легирующие пары, закаливая их в стабильные экзотические сплавы в наномасштабе, и печатая их в виде трехмерных массивов наноструктур в качестве строительных блоков, равномерно распределяя их по поверхности основного сверхпроводящего материала оксида меди.
Это самая важная часть изготовления медно-оксидного хромо-серебряного комнатно-сверхпроводящего материала.
Проще говоря, принцип немного похож на изготовление чипов, только процесс не такой сложный.
Чип - это логические вентили, выгравированные на пластине с помощью литографической машины, а изготовление медно-оксидного хромо-серебряного сверхпроводящего материала - это наноструктурный массив, выполненный на основном материале с помощью системы осаждения из паровой фазы с лазерным наведением sc, направляющей легирующий материал.
Первый требует многократного травления, а второй - достаточно одного раза.
Но, как бы то ни было, для изготовления материала его производственный процесс можно назвать очень сложным.
Он не только сложен, но и каждое оборудование, которое ему необходимо, чрезвычайно дорого.
Например, цена первоклассной вакуумной машины для электронно-лучевого напыления превышает пять миллионов, а цена системы осаждения из паровой фазы с лазерным наведением sc - более десяти миллионов.
Если бы можно было вытянуть монокристаллический слиток кремния, достаточный для тысяч чипов за один раз, как при производстве монокристаллического кремния, то использование этого дорогостоящего оборудования для изготовления комнатно-сверхпроводящих материалов стоило бы того.
Но на самом деле лабораторное производство комнатно-сверхпроводящих материалов каждый раз может производить лишь небольшое количество "образцов".
Это также является основной причиной, по которой медно-оксидный хромо-серебряный комнатно-сверхпроводящий материал трудно производить в промышленных масштабах.
Ведь лабораторный продукт и промышленный продукт - это две совершенно разные концепции.
То, что можно сделать в лаборатории с помощью различного первоклассного оборудования, не означает, что масштабное производство может быть таким же.
Однако исследование индустриализации - это дело промышленности, и как только появится такая технология, как комнатно-сверхпроводящие материалы, промышленность, естественно, вложит в нее большие средства, чтобы попробовать.
Даже если в конечном итоге не удастся достичь крупномасштабного производства, определенно будет достигнуто определенное коммерческое использование.
По крайней мере, в различных высокотехнологичных продуктах, помимо производительности, применение комнатно-сверхпроводящих материалов само по себе является огромным трюком, который может принести огромную прибыль.
Поэтому Сюй Чуань не беспокоится об этой работе.
Как бы ни была сложна индустриализация, пока продукт имеет высокую практическую ценность, всегда найдется кто-то, кто придумает, как это сделать.
И ему нужно решить проблему дефектов медно-оксидного хромо-серебряного комнатно-сверхпроводящего материала.
Обработка основного материала, легирование серебром и хромом, защита аргоном, регулировка укладки и скручивания поверхности материала, создание равномерной толщины в нанометровом масштабе для получения локализации электронов с требуемой диэлектрической проницаемостью.
Проведя в лаборатории два с половиной дня, только в час дня третьего дня напряженные нервы Сюй Чуаня расслабились.
Глядя на компьютер, подключенный к устройству защиты аргоном, он управлял прибором, чтобы остановить работу оборудования.
Аргон, защищающий внутренний материал, был откачан, высокая температура быстро рассеялась, и в посуде из жаропрочного керамического материала тихо лежал серебристо-серый лист длиной менее десяти сантиметров.
Это был первый "медно-оксидный хромо-серебряный комнатно-сверхпроводящий материал", который он успешно воспроизвел после двух с половиной дней напряженной работы.
Надев лабораторные перчатки, специальным пинцетом он осторожно извлек эту пленку из трубчатой печи с защитой аргоном, и исследователь, помогавший ему, быстро передал стеклянную посуду с амортизирующим материалом.
"Проверьте характеристики этого материала."
Сюй Чуань вздохнул с облегчением и дал указание.
Он не стал сам проводить испытания, потому что его ждали еще несколько материалов, чтобы завершить последующий процесс.
Одновременно с изготовлением первого материала он подготовил несколько материалов.
В конце концов, прошло более десяти лет с тех пор, как он в последний раз собственноручно изготавливал комнатно-сверхпроводящие материалы, и он не был уверен, что у него получится с первого раза.
В соответствии с процессом, используя лабораторное оборудование для одновременной обработки материалов на разных стадиях, всегда правильно подготовить несколько материалов.
Если все пойдет гладко, он сможет получить не менее пяти "медно-оксидных хромо-серебряных комнатно-сверхпроводящих материалов" сегодня днем.
Это количество, даже если он не делал этого более десяти лет, должно гарантировать, что хотя бы один из них будет соответствовать требованиям.
Теперь, когда первая готовая деталь вышла, остальные ждут его.
Поэтому эксперимент по проверке сверхпроводящих свойств может быть проведен только другими исследователями, которые ему помогают.
Сбоку, исследователь Минь Фу, который был заместителем, а также испытателем, кивнул и направился с изготовленным сверхпроводящим материалом в другую лабораторию.
За последний месяц он, как специальный испытатель сверхпроводимости, испытал не менее двухзначного числа различных материалов.
И среди них подавляющее большинство изготовленных сверхпроводящих материалов могли достичь только низкотемпературной сверхпроводимости, и даже если иногда удавалось достичь высокотемпературной сверхпроводимости в среде жидкого азота, это было лишь крайне редко.
Как раз в тот момент, когда он по привычке подумал, что этот материал ничем не отличается от обычных, данные системы тестирования сверхпроводящего электромагнетизма заставили его замереть.
Как правило, для проверки того, является ли новый материал сверхпроводящим, необходимо проверить два условия.
Первое - есть ли у материала явление нулевого сопротивления.
Второе - обладает ли материал полным диамагнетизмом.
Например, измерение сопротивления.
Самое основное сверхпроводящее свойство сверхпроводящего материала - это исчезновение сопротивления в сверхпроводящем состоянии, и, прикладывая ток к сверхпроводящему материалу и измеряя сопротивление, можно определить, находится ли материал в сверхпроводящем состоянии.
В течение этого периода можно изменять внешнюю среду и условия, такие как температура, давление и т.д., с помощью системы тестирования, чтобы проверить данные этого материала в различных условиях, то есть критическую температуру, критическое магнитное поле и т.д.
И первый эксперимент, который провел Минь Фу, заключался, естественно, в проверке того, обладает ли этот материал, изготовленный Сюй Чуанем, сверхпроводящими свойствами.
Эксперимент по измерению критической температуры уже был проведен, температура несверхпроводящего-сверхпроводящего фазового перехода этого материала составляет 123,8 К, то есть минус 149,35 градусов Цельсия.
Если бы это значение было десять лет назад, это, безусловно, были бы довольно хорошие данные, это уже намного ниже температуры охлаждения жидкого азота.
Ведь в то время исследования высокотемпературных сверхпроводящих материалов только начинались.
Но в настоящее время это можно назвать заурядным.
Критическая температура высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала составляет 152 К, критическая температура еще лучше.
Минь Фу был ошеломлен не критической температурой, а другим параметром.
Данные эксперимента по испытанию на давление! По его привычке, после завершения эксперимента по испытанию на критическую температуру, следующий эксперимент, который он проводит, - это испытание на давление.
Несмотря на то, что давление является очень важным термодинамическим измерением, материалы под высоким давлением будут демонстрировать новые структуры и свойства, которые всегда привлекали внимание исследователей физики, материалов и химии.
И металлический водород, богатые водородом соединения, углеродно-серные соединения и другие материалы когда-то достигали комнатной сверхпроводимости при высоком давлении.
Но давление, при котором эти материалы достигают комнатной сверхпроводимости, ужасающе велико.
Например, в 2019 году немецкая исследовательская группа обнаружила, что декагидрид лантана может проявлять сверхпроводимость при температуре, близкой к комнатной, 250-260 К и выше, при давлении 1,7-1,9 миллиона атмосфер.
Есть также углеродистый сульфид водорода, разработанный в 2020 году Университетом Рочестера в США, который также может достигать комнатной сверхпроводимости при высоком давлении.
Но интенсивность этого давления составляет целых 2,6 миллиона атмосфер.
Можно сказать, что такие суровые условия делают этот материал не имеющим никакой другой практической ценности, кроме исследовательской.
Даже давление на дне Марианской впадины составляет всего 1100 атмосфер, а 260 ГПа - это целых двести шестьдесят тысяч стандартных атмосфер, что более чем в две тысячи раз больше, чем на дне Марианской впадины.
Такое преувеличенное давление, кроме как в лаборатории, можно сказать, практически не имеет никакой практической ценности.
Поэтому академические и научные круги в разработке сверхпроводящих материалов больше внимания уделяют температуре.
Причина проста.
С одной стороны, сложность повышения критической температуры намного ниже, чем сложность снижения критического давления.
С другой стороны, что еще более важно, с точки зрения применения, создать низкотемпературную среду намного проще, чем создать среду высокого давления.
Однако данные экспериментальных испытаний, представленные перед глазами, перевернули представление Минь Фу о сверхпроводящих материалах, созданных на основе системы давления.
318,651 кПа!
При этом значении кривая сопротивления, которая изначально поддерживалась почти параллельно оси X, словно прыгнула со скалы под углом, близким к девяноста градусам, и сразу же достигла дна.
Глядя на данные на экране компьютера, Минь Фу сухо сглотнул и энергично потер глаза.
Он, должно быть, ошибся!
Это не 318,651 кПа, а 318,651 МПа!
Нет, тоже неверно, это точно 318651 МПа!
Это число должно быть нормальным!
Ведь он никогда не слышал, чтобы сверхпроводящий материал какого-либо исследовательского института мог достичь комнатной сверхпроводимости при давлении 3000 атмосфер.
Даже самый крутой в истории комнатно-сверхпроводящий материал, декагидрид лантана, признанный академическим сообществом, требует не менее 1,7 миллиона атмосфер, чтобы достичь нулевого сопротивления.
Триста тысяч мегапаскалей давления - вот что правильно!
Но вскоре Минь Фу снова засомневался в себе.
Оборудование в лаборатории... Может ли эта система тестирования сверхпроводящего электромагнетизма достичь давления в триста тысяч мегапаскалей?
Не может!
Он, проведя бесчисленное количество экспериментов, прекрасно знает, что максимальное давление, которое может создать сверхпроводящее электромагнитное испытательное оборудование в лаборатории, составляет всего сто тысяч стандартных атмосфер.
Триста тысяч мегапаскалей - это почти три миллиона стандартных атмосфер.
Это испытательное оборудование в лаборатории просто не может создать такое высокое давление.
Три миллиона стандартных атмосфер, даже во всем мире найдется лишь несколько лабораторий или исследовательских институтов, способных создать такое давление.
Поскольку стран, владеющих технологией сверхвысокого давления, можно пересчитать по пальцам, любое большое научное устройство, способное производить сверхвысокие температуры, сверхвысокое давление и напряжение сдвига, без преувеличения, является "важным инструментом великой державы".
Глядя на крошечные данные, отмеченные на оси Y на экране, дыхание Минь Фу невольно стало тяжелым.
318,651 кПа!
Он действительно не ошибся, это всего лишь три стандартных атмосферы!
"Черт возьми"
Повторив еще раз, убедившись, что он не ошибся, он невольно, но просто и безыскусно выругался.
"Давление 318,651 кПа, этот материал действительно перешел в сверхпроводящее состояние?"
"Как это возможно?"
"..."
Пробормотав несколько слов про себя, Минь Фу вдруг что-то осознал, очнулся от шока, как сумасшедший, отодвинул стул, на котором сидел, споткнулся и бросился наружу.
"Сюй... Академик Сюй!"
Не удосужившись постучать, Минь Фу яростно распахнул дверь лаборатории и ворвался внутрь, даже не успев отдышаться, с трудом крикнул.
"Есть важное открытие!"
В лаборатории Сюй Чуань, надев защитные очки, не поворачивая головы и не произнося ни слова, уверенно отправил второй сверхпроводящий основной материал в систему осаждения из паровой фазы с лазерным наведением sc, и только потом обернулся.
Слушая взволнованный голос Минь Фу и видя его оживленное выражение лица, Сюй Чуань также испытывал некоторое волнение и ожидание, он примерно понимал, что произошло.
"Сверхпроводящий материал, есть прорыв?"
Быстро спросив, Сюй Чуань посмотрел на тяжело дышащего Минь Фу, ожидая, что он скажет ответ.
"Это не просто прорыв! Это просто чудо!"
Минь Фу глубоко вздохнул и быстро сказал: "Я еще не закончил испытания, но измерение сопротивления и испытание на критическую температуру уже проведены."
"Этот новый материал при температуре 123,8 К, то есть минус 149,35 градусов Цельсия, переходит из несверхпроводящего состояния в сверхпроводящее, его..."
"Но это не главное"
"Что главное?" Сюй Чуань уже устал от того, что Минь Фу докладывает в порядке проведения экспериментов, разве нельзя сразу сказать главное?
Минь Фу тоже не обратил внимания на свои детали, он покраснел от волнения и сказал: "318,651 кПа!"
"Когда я проводил испытание на давление, я обнаружил, что этот новый материал имеет нулевое сопротивление при стандартной комнатной температуре двадцать пять градусов Цельсия!"
"Это просто чудо!"
"Это невероятно!"
"В среде с тремя стандартными атмосферами есть материал, который может достичь сверхпроводимости! Это просто прорыв в истории..."
Минь Фу все еще взволнованно бормотал, а на лице Сюй Чуаня уже появилась улыбка.
Это был именно тот ответ, которого он ожидал, но он не ожидал, что первый изготовленный материал будет соответствовать стандарту.
"Пойдем, покажи мне."