我国超高压输电位居世界前列已经是公认的事实，但为了这个新材料的应用也要从头做起？号称'黑金'的石墨烯究竟有什么魔力？今天我们就来聊一聊石墨烯常温超导的发现会不会使国内投入巨大的超高压输电功亏一篑。
在回答这个问题之前，我们首先要简单了解一下什么是石墨烯超导。石墨烯超导是在特定条件下利用石墨烯电阻为0的特性来进行导电。我们知道，在输电过程中，一些电能会在不知不觉地被消耗，而造成消耗的重要因素就是电阻。电阻越大，电的损耗越多，反过来电阻越小，电的损耗越少。但在超导体输电的实验过程中，电阻几乎可以达到0！正因如此，为了尽可能地提高电能的利用率，超导体的研究被世界各国密切关注着。而在众多超导体中，石墨烯就是一种理想的新材料。
石墨烯本身是由一层碳原子组成的二维材料，简单地来说就是碳原子围成的六边形，而这种结构恰恰与超导体要求的狄拉克锥形能带结构高度吻合，让石墨烯具备了成为超导体的必要条件。但遗憾的是，石墨烯本身并不能实现超导。想要利用它进行超导的话，目前有两种方法可以做到。一种是利用'拉堆技术'将两层石墨烯进行扭转叠加，另一种则是《Nature》使用的掺杂。早在2018年3月5日，来自中国的天才少年曹原就向《Nature》证明了双层石墨烯叠加扭转的可行性。在实验中，曹原将两层石墨烯叠加后扭转了1.1°，形成了'魔法角'。这个神奇的'魔法角'使石墨烯达到了绝佳的零电阻状态，从而实现了超导，但这种方法实现的超导受到环境的众多限制。其中1.7k的低温是最棘手的要求之一。这里的1.7k和我们平常所说的1.7℃并不是一个概念。在绝对温标中，计量单位是k，而绝对零度0k相当于-273.15℃！在此基础上，我们能够算出1.7k换算下来就是-271.4℃，要知道南极的最低温也不过-80.6℃，所以在自然条件下根本不可能达到'魔法角'实验的温度，这样一来，想要把石墨烯超导用在输电中就更不可能了。
狄拉克点
在石墨烯的能带结构中，其布里渊区边界的高对称点上存在具有线性色散关系的上下锥形结构，这些锥形结构的顶点被称为狄拉克点。
也正因如此，为了克服温度上的不足，此次《Nature》采用了另一种方式。2020年10月15日，《Nature》文章宣称实现了石墨烯室温超导的突破,这意味着石墨烯超导离实际应用又近了一步。在这次试验中，科学家们把C、H、S化合物放在207GPa的高压下，成功实现了288k的超导转变。简单地说，就是将石墨烯与H、S元素混合，借助含H的化合物在常温状态下就能形成超导体的特性来达到石墨烯室温超导的目的。说到这里很多朋友会觉得，既然已经实现了石墨烯的室温超导，那么石墨烯超导替代传统的超高压输电不是早晚的事情吗？但作者认为这么下结论还为时过早。
石墨烯位列2016年nature nanotechnology封面重大科研
尽管现在已经实现了石墨烯室温超导，但实验中对环境的要求十分严格。在整个石墨烯实验中一直保持着267GPa的高压。这个数字是什么样的概念呢？以我们生活中的大气压强为参照的话，尽管不同地区的大气压强有一定的差异，但也都保持在101kPa左右，和前面说到的267GPa根本无法相提并论，我们可以想象得到，一个普通人在这样的高压下，他的肺会爆炸，而他自己也会被挤压成纸片！更不要说用石墨烯来导电了。而克服高压也不是件轻松的事情，这一点我们可以在石墨烯超导的研究过程中看出一二。事实上，对于超导体的研究可以追溯到1911年，在这一百年间先后有28种元素和上千种合金、化合物可以作为超导体，而它们都需要在低温高压环境下才能实现超导，这也是很多超导体即使被发现也无法广泛应用的重要原因。而低温和高压两者相比的话，低温还算是人类现有科技的范畴，高压则是一个全新的领域，可以说解决高压要比解决低温难多了。所以，在解决高压这一难题之前，用石墨烯超导来大规模输电还只是设想而已。
那如果温度和压强都达到自然环境的标准，石墨烯超导就可以被广泛应用了吗？很遗憾，答案也不是。几乎所有的新材料都面临着成本高的问题，石墨烯作为高强度的新材料，更是有着'黑金'的美称。然而大家在网上随便搜一下却能看到很多廉价的石墨烯，它们价格最低的甚至可以达到到3元一克！但这种所谓的石墨烯并不是我们所说的石墨烯，而是石墨烯氧化物，它的研究价值远远不如真正的石墨烯，提取成本也比真正的石墨烯低了近千倍。事实上，单层石墨烯的售价比黄金还要贵，直到近几年随着石墨烯的研究被提上日程，它的价格才有所下降。但如果想用作石墨烯超导的话，对石墨烯的要求仍然很高，而达到这种要求的石墨烯价格在4000元\克左右，用这样的材料来输电成本有多高自然可想而知。
此外，作者觉得石墨烯超导虽然输电效率高、损耗小，但它何时能够投入到生产中还是个未知数，与其纠结新材料的应用还不如发展现有的超高压输电技术。那超高压输电和寻常的输电有什么不同呢？我们生活中的电压一般是220v，而在我国的电力系统中，超高压输电的电压在330kv-750kv之间，通常西北地区为330kv或者750kv，中东部地区为500kv。其实，在超高压输电领域，我国绝对是世界的领头军。但实际上我国的超高压输电起步很晚，大体可以分为三个阶段。在第一阶段中，1965年我国开始建设第一条超高压输电线路，到了1972年在西北地区建起了联合电网，掀开了我国超高压输电的序幕。而进入第二阶段后，我国在十年间建立起去全国性的输电网络，基本满足了当时的用电需求。在第三阶段，葛洲坝至上海直流线路的建设使得华中华东地区联网,中国电网进入了新时代。而到1998年时，我国已有的建成线路达到18000km，还有正在建设中的线路10000km，至此，我国超高压输电已经追上世界的步伐。
除了不断加强超高压输电的建设外，我国也在致力于输电效率上自我革新。 前面我们说到，超导体和一般的材料相比最大的优势在于，超导体的0电阻能减少输电过程中的损耗，但我国的革新方向和这个思路截然不同。根据同样的情况下输电的电压越高，电能的损耗越少的原理，我国在超高压输电的基础上发展了特高压输电技术。特高压输电顾名思义，它比超高压输电技术的电压更高，要求交流电1000kv在以上。而特高压的输电能力可以达到超高压输电的5倍，可以说是世界上最先进的输电技术。而我国早在2015年就已经基本建成了以特高压输电电网为骨干的智能电网，在2019年时20条运营的特高压线路年输送电量超过4000亿千瓦时，可以满足近6亿居民的用电需求，这样的好成绩足以证明即使不用石墨烯超导体，我国的输电能力也做到自给自足。也就是说，就算石墨烯超导技术完全成熟并且可以使用，我国也不一定需要去用它。
很多朋友看到现在会有一个疑问，既然我国对于是石墨烯输电没那么强烈的需求，那我们又为什么要费这么大劲去发展它呢？其实，石墨烯不只能用在输电上，在其他领域也可以大放异彩。但市面上那些打着石墨烯旗号的骗局当然不是石墨烯的发展方向，例如石墨烯袜子、石墨烯内裤等伪概念，这些炒作起来的产品在收割了一波智商税的同时，也让很多人对石墨烯产生了不好的印象。其实在世界范围内来看，计算机、新太阳能电池、医用消毒品和食品包装等领域才是石墨烯的主场。而这样优质的材料自然是世界各国争相挖掘的宠儿，我国发展石墨烯也是在增强自身的科技实力。目前我国石墨烯的应用主要是在电池制造和涂料等方面，例如华为、雅迪的石墨烯电池等，但这些都还在起步阶段，并没有发展出完整的下游产业链条。可以说石墨烯还有很大的发展空间，但这需要相当长的时间。
在回顾石墨烯室温超导的发展历程和方向后，我们完全有理由认为，超高压、特高压输电输电仍然是我国输电的坚定力量。你认为石墨烯室温超导会让现有的超高压输电付之东流吗？欢迎在评论区留言交流。
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