兩年前,在麻省理工學院學習的中國留學博士生曹原發表了兩篇高質量的論文,闡述了將兩層石墨烯的堆疊角度確定在1.1度左右時,石墨烯的物理特性會發生質的轉變,轉化為超導體,即沒有電阻的狀態,在這當時引起了科學界的轟動。畢竟在本世紀初,兩位俄裔科學家就曾經因為創新性地進行獲取「單層石墨烯」實驗,而獲得2010年的諾貝爾物理學獎。假如通過應用石墨烯製備了常溫的超導體,那麼我們現在所使用的超高壓輸電技術將無用武之地。那麼,真的就像我們想像的那樣,超高壓輸電真的將會變得沒有意義了嗎?
石墨烯本來在自然界中就存在,只不過並非單層結構,而且很難剝離。理論上,根據石墨烯內部碳原子的堆疊結構,可以將其分為多層、少層、雙層和單層石墨烯。從微觀分子結構看,從石墨材料中,如果應用特殊的方法將碳原子層進行剝離,就有可能會形成單層的碳原子平面二維結構,即單層石墨烯中的碳原子是以SP2雜化軌道所組成,構成了許多呈現蜂窩形的六邊形晶格結構。
由於石墨烯中的碳原子間的作用力連接非常強,這就使得即使單層的石墨烯的柔韌性非常好,在受到外界施加作用力發生變形以後,碳原子之間不會發生重新排列的情況,所以結構非常穩定,強度也相當高,一般的用石墨烯製成的包裝袋可以支撐提起2噸重的汽車。
另外,當石墨烯中的電子發生遷移時,也不會因為晶格的缺陷或者外來原子的侵入而發生散射問題,所有具有優良的導電性能和出色的光學特性,因此,在光學儀器製造、航空航天、新能源、傳感器、顯示器和電晶體製造等領域,有著廣泛的應用。
前面提到的曹原通過實驗獲取的雙層「魔角」石墨烯,就是我們傳說中理想狀態化的常溫超導體。國內現在普遍採用的超高壓輸電,就是使用500-1000千伏的電壓等級進行電能的輸送,由於在一定的輸送功率條件下,提高電壓的同時就會降低電流,電流的減小就會降低輸電線的發熱量,從而減小輸送過程中的能耗損失,電能的輸送效率就會提高,因此應用超高壓輸電,對於電能的輸送特別是中遠距離的電能輸送,具有非常重大的意義。
那麼,石墨烯既然具有超強的導電性能,而且還可以在特定的條件下實現「常溫超導」,那麼是否可以用它做成輸電材料,來代替現有的超高壓輸電模式,從而從根本上降低輸送成本呢?可以肯定的說,這只是理想化的狀態,從目前看還完全不可行。主要原因就在於常溫超導的實現現在還達不到。其中最核心的問題,就是上面提到的雙層「魔角」石墨烯實現超導,也是在特殊的條件下實現的,那就是處在-271攝氏度的環境,顯然在自然狀態下,我們根本不可能達到這樣的目標。
另外,從超導體的形成所必須具備的要求來看,必須要至少滿足三個條件,即臨界溫度、臨界磁場強度、臨界電流密度,只有當這三個條件同時滿足,材料才會成為超導體,一旦有一項指標超過臨界閾值,那麼超導體就會立即恢復到正常材料的物理狀態。拿電力輸送為例,即使我們真的研製出了超導材料,替代了現有超高壓輸電,那麼在保障電力輸送能力的前提下,大大降低了輸電電壓,那麼在保障一定輸送功率的情況下,就必須提高輸電電流強度,而電流強度的顯著提高,又會極大增加超出超導體臨近電流密度閾值的風險,這樣的話超導體一瞬間就又重新變回普通材料,材料電阻又重新增大,在這麼大的電流條件下,電能的損耗一下子又猛增起來,輸電效應就變得奇差無比。
所以,從目前的情況下,一方面還無法實現真正的常溫超導,另一方面,即使有超導材料,在輸電時也會受到各種條件的制約,在現有條件下根本不適合長距離電力的輸送,所以根本無法取代超高壓輸電的相應優勢,不過隨著技術的突破和日益成熟,在其它領域,以石墨烯為代表的超導體將會發揮更大的作用。