我國超高壓輸電位居世界前列已經是公認的事實，但為(wei) 了這個(ge) 新材料的應用也要從(cong) 頭做起？號稱"黑金"的石墨烯究竟有什麽(me) 魔力？今天我們(men) 就來聊一聊石墨烯常溫超導的發現會(hui) 不會(hui) 使國內(nei) 投入巨大的超高壓輸電功虧(kui) 一簣。

在回答這個(ge) 問題之前，我們(men) 首先要簡單了解一下什麽(me) 是石墨烯超導。石墨烯超導是在特定條件下利用石墨烯電阻為(wei) 0的特性來進行導電。我們(men) 知道，在輸電過程中，一些電能會(hui) 在不知不覺地被消耗，而造成消耗的重要因素就是電阻。電阻越大，電的損耗越多，反過來電阻越小，電的損耗越少。但在超導體(ti) 輸電的實驗過程中，電阻幾乎可以達到0！正因如此，為(wei) 了盡可能地提高電能的利用率，超導體(ti) 的研究被世界各國密切關(guan) 注著。而在眾(zhong) 多超導體(ti) 中，石墨烯就是一種理想的新材料。

石墨烯本身是由一層碳原子組成的二維材料，簡單地來說就是碳原子圍成的六邊形，而這種結構恰恰與(yu) 超導體(ti) 要求的狄拉克錐形能帶結構高度吻合，讓石墨烯具備了成為(wei) 超導體(ti) 的必要條件。但遺憾的是，石墨烯本身並不能實現超導。想要利用它進行超導的話，目前有兩(liang) 種方法可以做到。一種是利用"拉堆技術"將兩(liang) 層石墨烯進行扭轉疊加，另一種則是《Nature》使用的摻雜。早在2018年3月5日，來自中國的天才少年曹原就向《Nature》證明了雙層石墨烯疊加扭轉的可行性。在實驗中，曹原將兩(liang) 層石墨烯疊加後扭轉了1.1°，形成了"魔法角"。這個(ge) 神奇的"魔法角"使石墨烯達到了絕佳的零電阻狀態，從(cong) 而實現了超導，但這種方法實現的超導受到環境的眾(zhong) 多限製。其中1.7k的低溫是最棘手的要求之一。這裏的1.7k和我們(men) 平常所說的1.7℃並不是一個(ge) 概念。在絕對溫標中，計量單位是k，而絕對零度0k相當於(yu) -273.15℃！在此基礎上，我們(men) 能夠算出1.7k換算下來就是-271.4℃，要知道南極的最低溫也不過-80.6℃，所以在自然條件下根本不可能達到"魔法角"實驗的溫度，這樣一來，想要把石墨烯超導用在輸電中就更不可能了。

狄拉克點

在石墨烯的能帶結構中，其布裏淵區邊界的高對稱點上存在具有線性色散關(guan) 係的上下錐形結構，這些錐形結構的頂點被稱為(wei) 狄拉克點。

也正因如此，為(wei) 了克服溫度上的不足，此次《Nature》采用了另一種方式。2020年10月15日，《Nature》文章宣稱實現了石墨烯室溫超導的突破,這意味著石墨烯超導離實際應用又近了一步。在這次試驗中，科學家們(men) 把C、H、S化合物放在207GPa的高壓下，成功實現了288k的超導轉變。簡單地說，就是將石墨烯與(yu) H、S元素混合，借助含H的化合物在常溫狀態下就能形成超導體(ti) 的特性來達到石墨烯室溫超導的目的。說到這裏很多朋友會(hui) 覺得，既然已經實現了石墨烯的室溫超導，那麽(me) 石墨烯超導替代傳(chuan) 統的超高壓輸電不是早晚的事情嗎？但作者認為(wei) 這麽(me) 下結論還為(wei) 時過早。

石墨烯位列2016年nature nanotechnology封麵重大科研

盡管現在已經實現了石墨烯室溫超導，但實驗中對環境的要求十分嚴(yan) 格。在整個(ge) 石墨烯實驗中一直保持著267GPa的高壓。這個(ge) 數字是什麽(me) 樣的概念呢？以我們(men) 生活中的大氣壓強為(wei) 參照的話，盡管不同地區的大氣壓強有一定的差異，但也都保持在101kPa左右，和前麵說到的267GPa根本無法相提並論，我們(men) 可以想象得到，一個(ge) 普通人在這樣的高壓下，他的肺會(hui) 爆炸，而他自己也會(hui) 被擠壓成紙片！更不要說用石墨烯來導電了。而克服高壓也不是件輕鬆的事情，這一點我們(men) 可以在石墨烯超導的研究過程中看出一二。事實上，對於(yu) 超導體(ti) 的研究可以追溯到1911年，在這一百年間先後有28種元素和上千種合金、化合物可以作為(wei) 超導體(ti) ，而它們(men) 都需要在低溫高壓環境下才能實現超導，這也是很多超導體(ti) 即使被發現也無法廣泛應用的重要原因。而低溫和高壓兩(liang) 者相比的話，低溫還算是人類現有科技的範疇，高壓則是一個(ge) 全新的領域，可以說解決(jue) 高壓要比解決(jue) 低溫難多了。所以，在解決(jue) 高壓這一難題之前，用石墨烯超導來大規模輸電還隻是設想而已。

那如果溫度和壓強都達到自然環境的標準，石墨烯超導就可以被廣泛應用了嗎？很遺憾，答案也不是。幾乎所有的新材料都麵臨(lin) 著成本高的問題，石墨烯作為(wei) 高強度的新材料，更是有著"黑金"的美稱。然而大家在網上隨便搜一下卻能看到很多廉價(jia) 的石墨烯，它們(men) 價(jia) 格最低的甚至可以達到到3元一克！但這種所謂的石墨烯並不是我們(men) 所說的石墨烯，而是石墨烯氧化物，它的研究價(jia) 值遠遠不如真正的石墨烯，提取成本也比真正的石墨烯低了近千倍。事實上，單層石墨烯的售價(jia) 比黃金還要貴，直到近幾年隨著石墨烯的研究被提上日程，它的價(jia) 格才有所下降。但如果想用作石墨烯超導的話，對石墨烯的要求仍然很高，而達到這種要求的石墨烯價(jia) 格在4000元\克左右，用這樣的材料來輸電成本有多高自然可想而知。

此外，作者覺得石墨烯超導雖然輸電效率高、損耗小，但它何時能夠投入到生產(chan) 中還是個(ge) 未知數，與(yu) 其糾結新材料的應用還不如發展現有的超高壓輸電技術。那超高壓輸電和尋常的輸電有什麽(me) 不同呢？我們(men) 生活中的電壓一般是220v，而在我國的電力係統中，超高壓輸電的電壓在330kv-750kv之間，通常西北地區為(wei) 330kv或者750kv，中東(dong) 部地區為(wei) 500kv。其實，在超高壓輸電領域，我國絕對是世界的領頭軍(jun) 。但實際上我國的超高壓輸電起步很晚，大體(ti) 可以分為(wei) 三個(ge) 階段。在第一階段中，1965年我國開始建設第一條超高壓輸電線路，到了1972年在西北地區建起了聯合電網，掀開了我國超高壓輸電的序幕。而進入第二階段後，我國在十年間建立起去全國性的輸電網絡，基本滿足了當時的用電需求。在第三階段，葛洲壩至上海直流線路的建設使得華中華東(dong) 地區聯網,中國電網進入了新時代。而到1998年時，我國已有的建成線路達到18000km，還有正在建設中的線路10000km，至此，我國超高壓輸電已經追上世界的步伐。

除了不斷加強超高壓輸電的建設外，我國也在致力於(yu) 輸電效率上自我革新。 前麵我們(men) 說到，超導體(ti) 和一般的材料相比最大的優(you) 勢在於(yu) ，超導體(ti) 的0電阻能減少輸電過程中的損耗，但我國的革新方向和這個(ge) 思路截然不同。根據同樣的情況下輸電的電壓越高，電能的損耗越少的原理，我國在超高壓輸電的基礎上發展了特高壓輸電技術。特高壓輸電顧名思義(yi) ，它比超高壓輸電技術的電壓更高，要求交流電1000kv在以上。而特高壓的輸電能力可以達到超高壓輸電的5倍，可以說是世界上最先進的輸電技術。而我國早在2015年就已經基本建成了以特高壓輸電電網為(wei) 骨幹的智能電網，在2019年時20條運營的特高壓線路年輸送電量超過4000億(yi) 千瓦時，可以滿足近6億(yi) 居民的用電需求，這樣的好成績足以證明即使不用石墨烯超導體(ti) ，我國的輸電能力也做到自給自足。也就是說，就算石墨烯超導技術完全成熟並且可以使用，我國也不一定需要去用它。

很多朋友看到現在會(hui) 有一個(ge) 疑問，既然我國對於(yu) 是石墨烯輸電沒那麽(me) 強烈的需求，那我們(men) 又為(wei) 什麽(me) 要費這麽(me) 大勁去發展它呢？其實，石墨烯不隻能用在輸電上，在其他領域也可以大放異彩。但市麵上那些打著石墨烯旗號的騙局當然不是石墨烯的發展方向，例如石墨烯襪子、石墨烯內(nei) 褲等偽(wei) 概念，這些炒作起來的產(chan) 品在收割了一波智商稅的同時，也讓很多人對石墨烯產(chan) 生了不好的印象。其實在世界範圍內(nei) 來看，計算機、新太陽能電池、醫用消毒品和食品包裝等領域才是石墨烯的主場。而這樣優(you) 質的材料自然是世界各國爭(zheng) 相挖掘的寵兒(er) ，我國發展石墨烯也是在增強自身的科技實力。目前我國石墨烯的應用主要是在電池製造和塗料等方麵，例如華為(wei) 、雅迪的石墨烯電池等，但這些都還在起步階段，並沒有發展出完整的下遊產(chan) 業(ye) 鏈條。可以說石墨烯還有很大的發展空間，但這需要相當長的時間。

在回顧石墨烯室溫超導的發展曆程和方向後，我們(men) 完全有理由認為(wei) ，超高壓、特高壓輸電輸電仍然是我國輸電的堅定力量。



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