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我国发现不同寻常铜基高温超导新材料,俄研发

时间:2019-11-21 21:07来源:工程材料
欧洲杯外围 ,8月7日,记者了解到,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青研究员与合作者长期开展铜基超导材料新结构的设计和高压合成

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欧洲杯外围,8月7日,记者了解到,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青研究员与合作者长期开展铜基超导材料新结构的设计和高压合成,研究对象集中在铜和碱土氧化物体系,这是能够形成铜基超导基本结构的最简单化学组分。选择这个简单组分的独到之处在于既可聚焦产生铜基超导的核心要素,又可廻避铜基超导材料在常压制备需要的稀土、铋、汞等昂贵和有毒元素,有助于新材料的进一步应用拓展。

8月7日,记者了解到,俄罗斯国立研究型技术大学与南乌拉尔国立大学、白俄罗斯国家科学院的研究人员共同发明了一种陶瓷特质的复合材料,在制造信息保存装置和传感器方面具有广阔应用前景。

市面上用于建筑的材料很多,像钢材、砖、混凝土等都是比较常见的材料。但从应对气候变化的角度来看,木质结构建筑才是未来大势所趋。木质结构能帮助我们从空气中吸收碳,并将其储存在我们的家里和办公室里,这使得许多人相信木结构才是建筑的未来。

有人认为,第四次工业革命已经到来,随之而来的将是前所未有的变革和机遇。作为此次革命的核心驱动力,数字技术正在变得越来越快捷和经济,带给更多人看得见、摸得着的切实利益。随着人工智能 (AI)、机器学习、生成式设计和大数据等新兴技术正在加速各行各业的发展,3D 打印技术也正在一步一步地颠覆传统制造业。

运用高压高温制备技术,他们相继发现了“铜系”(Physica C 223, 238 (1994); Phys. Rev. B 61, 778(2000)); 中国科学48, 87405 (2018))、“顶角氧”掺杂系(Nature 375, 301(1995); Phys. Rev. B 74 , 100506(R) (2006); Phys. Rev. B 80, 94523 (2009)(Editor’s Suggestion))等具有新结构的铜基超导材料体系。其中“铜系”超导材料的Tc可高达118K,并入选“科学通报”纪念液氮温区超导材料发现30周年纪念专辑的封面(科学通报 62, 3947),团队20余年围绕铜基超导新材料的系统研究在国际上已形成自己的特色。

这种复合材料可以同时控制磁场和电场,在比室温高得多的温度下也可保持自身性质,有助于更快处理信息,更好地保护存储,避免大量数据被盗窃。用该材料可以制造出新型记忆载体、传感器、感应控制设备和其他更精确可靠且无需充电的微电子设备元件。

英国作家蒂姆·斯梅德利站在伦敦东部一个看似普通的办公楼工地上。这座七层楼高的建筑大约完成了三分之二,基本结构和楼梯已经就位,抹灰和布线才刚刚开始。但当他四处走动时,有些不同的东西慢慢地呈现出来。

数字化转型带来的深远影响是不可估量的,这一点无可厚非。但工业4.0时代不仅需要新的技术,还需要新的技能和新的思维与工作方式。对许多企业来说,这一变革非同小可,因为这意味着要注入新的投资、实施组织变革和提升员工技能。而为了增强客户关系和吸纳新业务,这种变革是必须的。企业必须作出积极转变,拥抱工业 4.0。

铜氧化物高温超导体是常压条件下迄今转变温度最高的超导材料体系,对它的微观机制破解入选《Science》125个重大科学难题,目前依然是凝聚态物质科学最大的谜团和挑战之一。由于铜基超导体很强的Jahn Teller效应和层间库伦作用,沿c方向的铜氧键长大于铜氧平面内的键长,导致基本电子构型的铜氧六配位八面体呈现拉伸状态。对于拉伸型的配位结构,铜的3d x2–y2 轨道位于3z2-r2轨道之上,且和面内氧的2P轨道强烈杂化。这个图像构成对铜基超导材料认识的出发点(参阅:Keimer et al Nature 518, 179——186 (2015))。

2020欧洲杯手机版,据了解,复合材料通常具有不同材料相互取长补短的良好综合性能。复合材料兼有两种或两种以上材料的特点,能改善单一材料的性能,如提高强度、增加韧性和改善介电性能等。作为高温结构材料用的陶瓷复合材料,主要用于宇航,军工等部门。此外,在机械、化工、电子技术等领域也广泛采用各种陶瓷复合材料。

这个建筑工地既安静又干净,而且有股好闻的气味飘荡,那里堆放着大量的木材。与现在工地通常以混凝土为主材料不同,这里木头才是“主角”。

解锁新的可能性,需要思维上的转变

通过十万巴级超高氧压合成技术的创新(MRS Advances 2, 2587 (2017)),靳常青指导研究生李文敏制备发现了一类全新的超导材料Ba2CuO4-y。这是目前唯一呈现压缩型铜氧局域配位的铜基超导材料。对于压缩型配位构型,铜的3d 3z2-r2轨道将位于x2-y2轨道之上,显著有别于“传统”拉伸型配位的轨道序。X射线吸收谱实验表明,Ba2CuO4-y超导体处于超过掺杂区,对应“传统”铜基超导体的非超导相区。现有主流理论认为,压缩型配位构型、超过掺杂载流子浓度、以及可能的特殊的面内结构都不利于超导,Ba2CuO4-y仍然表现出了具有高达73K的超导转变温度。与基本晶体结构相同,具有正常轨道序的La2CuO4体系相比,Ba2CuO4-y的Tc提高了80%以上。这些实验现象表明,不同于以往传统类型,Ba2CuO4-y属于一类全新的铜基超导材料。

我国发现不同寻常铜基高温超导新材料,俄研发新型陶瓷复合材料。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,而其致命的弱点是具有脆性,处于应力状态时,会产生裂纹,甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合,则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能,主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。

建筑师安德鲁·沃(Andrew Waugh)表示:“因为木结构建筑的重量只是混凝土建筑的20%,重力负荷大大降低。这意味着我们需要的地基更小,不再需要大量的混凝土地面。我们以木材为建筑核心,有木墙和木地板,所以我们把钢材数量减少到最低限度。”

以 3D 打印为例,3D打印技术,即增材制造技术,可以通过不断叠加和黏合材料层,从无到有地构建出一个完整的功能部件,而无需建造注塑模具。这一转变对制造流程和产品形态所产生的影响是巨大的。3D打印带来了整体效率的提升——不但缩短了设计周期,降低了总生产成本,还缩短了从生产到交付的时间。

以上工作近期发表在美国科学院院刊上(W. M. Li et al. Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 12156 (2019))。美国科学院院士、巴丁奖得主,著名超导理论专家Scalapino教授以“高温超导家族不同分支”(“A different branch of the high Tc family”)为题,在同期撰写专题评介(这个材料具有短的顶角氧距离和超过掺杂以等特性,意味着它属于铜基高温超导材料不同分支,对现有众多高温超导机制提出挑战:Nevertheless, the remarkably high Tc of this highly overdoped cuprate with its short Cu apical O separation and its O vacancies in the CuO2 plane suggest that it is a member of a different branch of high Tc cuprate materials, which challenges the basic tenants of many high Tc theories)。美国国家标准局 Q.Z.Huang教授、德国马普物理化学研究所Z.W.Hu教授、美国哥伦比亚大学Uemura教授在中子衍射、光电子吸收谱和uSR谱等实验表征上给予密切合作,美国佛罗里达大学Stewart教授、日本东京大学Uchida教授参与了实验结果讨论;研究工作得到国家重大研发计划和基金委重大国际合作项目的资助。

相关研究发表在最近的《复合材料B辑:工程》上。

在大多数大型现代建筑中,钢材通常用于形成主要的内部支撑或混凝土加固物。然而,在这座木结构建筑中,钢材结构相对较少。剩下的部分可以像麦卡诺积木那样固定,很容易在建筑物的使用寿命结束时(或期间)拆开。

影响还不仅于此,3D打印技术还改变了设计师和制造商的工作方式,他们所采用的技术以及所需的培训也完全不同以往。首先,3D打印技术可以说为设计师和工程师们打开了一扇全新的大门,让他们有充分的自由空间,发挥自己的创意灵感,摆脱以往的限制和束缚。

图1. 具有单层铜氧面结构的铜基超导材料的面内氧和顶角氧的铜氧键长、铜氧配位构型、铜的3d x2–y2和3z2-r2轨道相对顺序。其中La系、Bi系、Tl(Hg)系的顶角氧距离大于面内铜氧键长,呈现拉伸型铜氧六配位构型,导致3dx2-y2轨道居于3dz2轨道之上。Ba214的面内铜氧键长大于顶角氧距离,形成目前唯一的压缩型铜氧配位构型,导致3dz2轨道居于3dx2-y2轨道之上。

从房屋到体育场馆,我们对混凝土和钢材的依赖带来了沉重的环境代价,混凝土占全球二氧化碳排放量的4%到8%。它仅次于水,是地球上使用最广泛的物质,约占所有采矿业的85%,甚至导致沙子都即将枯竭。在全球范围内,每年浇筑的混凝土足以覆盖整个英格兰。

因为无需再使用注塑成型的模具,即使是为大批量生产而设计,设计师也不再需要考虑拔模角度或接缝的问题。简而言之,他们需要摒弃种种来自传统制造业的桎梏。工业4.0时代需要的是全新的思维模式、设计思路和技能,因为增材制造可以允许设计师创造出更复杂、甚至前所未有的新部件,固守传统的设计思维会渐落人后。

图2. 通过X射线吸收谱测得掺杂浓度。(A) Ba214 and LSCO[x = 0 (blue) and 0.15 (red)]的氧K边吸收谱,U和H分别源于O1s芯能级至铜的上Hubbard带和掺杂空穴态,对应于Cu2 态和Cu3 态 (即Zhang Rice单态)。(B) Ba2CuO3.2、过掺杂的LSCO(x = 0.34)和LaCuO3的铜L边吸收谱,表明Ba2CuO3.2铜的价态处于超过掺杂状态。

因此,像安德鲁这样的建筑师主张,重新将木材作为我们的主要建筑材料。优良林场出产的木材实际上是在储存碳而不是排放碳:随着树木的生长,它们从大气中吸收大量二氧化碳。根据经验,每立方米木材含有大约1吨二氧化碳,相当于350升汽油的排放量。

其次,不同于传统制造业的线性工作流程,3D 打印要求设计师和工程师在流程的每个节点都要更紧密地协作。传统的制造流程中,设计师和工程师之间的互动十分有限,设计师完成产品设计后,交由工程师开展原型构建和测试工作,之后再构建注塑成型的模具并进行批量生产。然而,这也意味着针对功能方面的考量仅仅出现在开发周期的后半阶段,包括材料性能、结构完整性和设计耐用性等。

与制造过程增加的二氧化碳相比,木材从大气中吸收的二氧化碳更多,而且通过取代混凝土或钢铁等碳密集型材料,它对降低二氧化碳的贡献也增加了一倍。最近提交给报告发现:“木材被用作建筑材料既可储存碳,又替代高碳水泥、砖和钢铁时,生物质能减少的温室气体水平最高。”

而3D打印生态系统则鼓励构建一个集成度更高、互动性更强的流程。设计师必须从设计周期伊始就考虑一个零部件是如何制造出来的。全新的 CAD 技术已经可以支持在设计视觉构建期间就将功能因素也纳入考量,因此工程师也必须在设计初期就参与进来。

在英国每年新建的房屋中,有15%到28%使用的是木结构建筑,其结果是每年捕获超过100万吨的二氧化碳。报告的结论是,增加建筑用材量可能使这个数字增加两倍。利用新的工程木材系统,例如正交胶合木(CLT),在商业和工业部门也可能节省同样数额的开支。

新的数字技术带来新的机遇

新式工程木材或取代传统材料

3D打印还为设计师和制造商带来了学习和应用新技术的机会。生成式设计和机器学习这两大创新技术是促成这个机遇的关键。随着数字化制造的普及,CAD技术也在不断发展和更新。现在的 CAD 软件已经可以与虚拟现实 (VR) 或增强现实 (AR) 技术结合使用,支持设计师将计算机生成的任一图像叠加到真实场景中。而且 CAD 软件的操作也变得更加简单易懂,有些甚至是专为非专业程序员打造的。这些趋势正在推制造业的大众化,让每一个具有设计创造力的人都有机会成为一个制造者。

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