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  • 中國突破超低溫制冷技術,和絕對零度相差0.01度,它有什么作用?

    中國突破超低溫制冷技術,和絕對零度相差0.01度,它有什么作用? 馬上咨詢

      地球南極的最低溫度是零下54度,普通生物在這里難以生存。冥王星的地表溫度為零下200度,這顆星球上的空氣被全部凍結。

      布莫讓星云

      距離地球5000光年的布莫讓星云,溫度低至零下272度,是已知外太空最冷的地方。不過這仍然不是宇宙可以達到的最低溫度。

      宇宙最冷的地方,曾在美國桑迪亞國家實驗室,物理學家們讓溫度達到了零下272.59度,它曾是已知宇宙的最低溫度。

      那么這種超低溫是如何獲得的呢?

      科學家從微觀世界給出了答案,宇宙萬物都是由粒子組成的,它們時時刻刻都在做無規律的運動,速度越快,該物體的溫度也就越高。

      當物體的粒子徹底靜止時,它的溫度會下降到一個極限值。也就是零下273.15攝氏度。

      但絕對零度是不可能達到的。

      現代實用制冷技術一般可以分成三大類,第一類是基于氣體動力學,將熱量持續地從低溫端抽出,比如用電冰箱冷凍儲存食物,或者用空調制冷降溫,這些制冷需要用壓縮機實現。

      第二類是利用某些化學和物理現象,例如熱電效應、順磁效應、隧穿效應。比如某款飲水機采用電子制冷,基本原理就是溫差熱電效應。

      最后一類是直接采用低溫劑制冷,比如往啤酒里丟冰塊。

      液氮制冷劑技術

      一般根據需要采用不同的制冷手段,自從空氣液化技術和杜瓦技術成熟后,將氮氣液化作為制冷劑,成為一種非常便捷實用的制冷技術。



      加上氮氣是空氣中的主要成分,液氮目前的成本已經比礦泉水還便宜。而且氮氣有化學惰性,可以直接和生物組織接觸,就算立即冰凍也不會破壞生物活性。



      在中科院物理所的科技開放日上,有一個網紅科學小實驗,把活體小金魚放入液氮凍成冰疙瘩,然后放入常溫的水中解凍,這條小魚立刻就恢復了活力。

      所以液氮的用途十分廣泛,它可以迅速冷凍食品,比如我國進口的馬來西亞榴蓮,還可以保存活體組織,比如生物樣品以及精子和卵子的儲存,甚至還可以治療一些皮膚病,其原理是利用低溫迅速殺死病區細胞。



      液氮技術用于人體冷凍。

      詹姆斯·貝福德是上個世紀中期的美國首富,但是不幸患上了癌癥,他認為癌癥在未來是可以被治愈的。

      恰好當時有一位電工名叫羅伯特·艾廷格,正在研究液氮冷凍技術,這給貝福德帶來了希望。

      他給這位電工贊助了10萬美元,并和艾廷格簽下冷凍自己的協議,并約定在50年后再解凍,利用現代科學技術將自己復活。



      1967年,貝福德病逝于癌癥,艾廷格如約對他進行了冷凍,不過如今已過去54年,貝福德依舊被冰封在鐵盒子里。

      現在的科學技術無法讓人死而復生,癌癥依舊是困擾人類的疾病,而且液氮只有零下196度,細胞分子在這個溫度下仍會緩慢運動。

      有運動就代表生命在隨時間流逝,除非把溫度降低到絕對零度,才有機會把生命徹底凍住,甚至凍住時間。



      液氫、液氖、液氦

      雖然絕對零度只存在于理論中,但是人類在這半個世紀以來,一直在低溫技術領域追求極致,早期冷媒用得較多的除了氮氣,還用到了氫氣、氖氣和氦氣。

      如今液氫和液氖已退出了制冷劑的舞臺,畢竟這兩氣體實在過于危險。

      就拿氫來說,氫有著極為活潑的化學屬性,可以說是一點就燃一燃就炸,氫在常溫下遇到一點火星,就會發生反應并釋放熱量。



      1936年3月4日,德國興登堡號飛艇正式運營,它是世界最大的氫氣飛艇,長約245米重約110噸,內部有16個巨型氫氣囊,可以連續在空中飛行200個小時。

      1937年5月6日,興登堡號飛往美國新澤西州,在著陸過程中突然起火爆炸,飛艇墜落后被完全燒毀,最終造成97名乘客和35名機組人員遇難。



      整個過程不到一分鐘,事后調查表明,惡劣天氣導致飛艇外皮存在靜電,電火花將漏氣的飛艇引爆。

      科學家經過實驗測定,氫氣的爆炸極限寬到讓人絕望,在空氣里的濃度達到4%到98%之間

      遇火都會發生爆炸,所以各位家長千萬不要讓小朋友玩氫氣球。

      興登堡號事件后,人們不但對飛艇失去了興趣,也慢慢退出了制冷劑領域,液氮和液氦是目前最主要的制冷劑,液氦是制造超低溫的神器。

      它可以達到零下253度,至零下271度的制冷范圍,當溫度低至零下271度時,液氦將變成超流氦,出現液氦沿著杯壁流出杯子外的奇特現象。

      那么追求極限低溫有什么作用呢?



      在日常生活上用不上超低溫制冷技術,但它能推動許多科技的進步,包括材料科學研究、粒子物理和凝聚態物理,甚至是天文學上都能發揮作用。

      而它在商業領域的最大用途,就是冷卻量子計算機的芯片,量子計算機依靠量子疊加態作為運算基礎,能實現體積縮小和算力的爆炸式提升,它必將成為人類最強大的計算機。

      2019年12月,美國商務部一份文件指出,未來將限制出口稀釋制冷機,給美國在量子計算機領域的競爭對手,這其中就包括中國。



      稀釋制冷機一旦被限制,對量子計算機的研究,中國將會面臨重大挑戰。

      稀釋制冷技術

      它是目前能實現mk級制冷的三大方式之一,除此之外還有絕熱去磁制冷和吸附制冷,其中只有稀釋制冷機能達到10mk以下的制冷。

      所以它已經成為量子計算機的標配,想要研制量子計算機,就必須先設計一套制冷設備,給量子芯片冷卻降溫。

      我國雖然在量子計算機的理論領域是領先的,但是不突破稀釋制冷技術,始終面臨被卡脖子的風險。



      在上個世紀70年代,我國物理學家冉啟澤研制出濕式稀釋制冷機,但遺憾的是,此后再無人從事相關研究,我國長時間處于技術斷層和研究空白,所需的稀釋制冷機全靠從歐美進口。

      為了擺脫歐美的技術壟斷和封鎖,我國必須突破稀釋制冷機技術,終于在2015年,中科院首次實現了零下253度的超低溫,不過這只是歐洲20多年前的技術,要突破就要來個徹底突破。



      今年7月,中科院再次取得重大成果,其自主研發的無液氦稀釋制冷機,達到了零下273.1391度低溫,僅僅比絕對零度高出0.01度,甚至打破了美國保持的世界紀錄。

      21世紀雖然大體上是和平的,但是在科技領域的競爭從沒有停止過,從光伏產業到新能源汽車,從芯片制造再到量子計算機,我們的科技工作者都在努力走出屬于自己的路。

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