超導(dǎo)的“誘惑”

有人說，人類文明史可以用材料來劃分，石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代……

那么，下一個(gè)可以用來劃分時(shí)代的材料，就是超導(dǎo)。

“超導(dǎo)百年不衰的原因之一，就是為發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，它將給人們生活帶來的變化是天翻地覆的。

到那個(gè)時(shí)候，我們可能生活在《阿凡達(dá)》電影中，居住在懸浮的超導(dǎo)屋里，出門坐上無軌無輪的超導(dǎo)車，甚至手機(jī)、手提電腦充一次電就能用上好幾個(gè)月。

國家自然科學(xué)一等獎獲得者陳仙輝

“美國的鐵路建成長度居世界之首；英國喬治五世加冕君主制繼續(xù)；德國的軍事演習(xí)首次出現(xiàn)飛機(jī)；法國受邀占領(lǐng)摩洛哥首都，引發(fā)德國派遣戰(zhàn)艦抗議；俄國要求擴(kuò)大在華權(quán)益；日本新聞檢閱制度強(qiáng)化，天皇批準(zhǔn)出兵干涉辛亥革命……”

1911年，中國辛亥年，這一年爆發(fā)的辛亥革命結(jié)束了中國幾千年的帝制。這時(shí)候，世界其他的地方也不平靜，以上就是學(xué)者張鳴在《辛亥：搖晃的中國》一書中列出的其他幾個(gè)國家當(dāng)時(shí)發(fā)生的大事。

相比于這些國際大事，同是這一年的4月，在安靜的荷蘭小城萊頓的一個(gè)低溫物理實(shí)驗(yàn)室中，卡末林－昂內(nèi)斯（Kamerlingh-Onnes）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象顯得并不是那么轟動。

但一個(gè)世紀(jì)之后，人們發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)對人類社會的影響并不亞于當(dāng)時(shí)發(fā)生的那些國際大事，它給科研領(lǐng)域和日常生活帶來了深遠(yuǎn)的影響。

今天，越來越多的科幻片中出現(xiàn)了飄浮在空中的建筑物，飛速的磁懸浮列車甚至已經(jīng)沖進(jìn)了現(xiàn)實(shí)生活。

從美國馬里蘭州最大城市巴爾的摩市到50公里外的華盛頓，僅僅需要15分鐘，當(dāng)高速超導(dǎo)磁懸浮列車在95號州際公路上疾馳，你甚至還來不及閱讀積存的電子郵件，就已經(jīng)達(dá)到了目的地。

然而，超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)并不能算是妙手偶得的意外之喜，這是一個(gè)大批科學(xué)家不斷跟蹤研究，從理論到實(shí)踐，又從實(shí)踐到理論，不斷改善實(shí)驗(yàn)手段，最終收獲驚喜的經(jīng)典故事。

歷史上，有五次諾貝爾獎都頒給了這一領(lǐng)域的研究。

在中國，連續(xù)三年空缺的國家自然科學(xué)一等獎，今年也有了歸屬——中國科學(xué)院物理所和中國科技大學(xué)的“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，問鼎國家自然科學(xué)一等獎。

在發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的一百年后，它的誘惑力依然強(qiáng)大。

什么是“超導(dǎo)”？

2014年1月10日，中科大陳仙輝教授與中國科學(xué)院物理所的合作者，由于在鐵基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域做出的突出貢獻(xiàn)，被授予國家自然科學(xué)一等獎。

究竟什么是“超導(dǎo)”？

如果你看過電影《阿凡達(dá)》，一定記得里面那座飄在半空的“哈利路亞山”。要知道，哈利路亞山的懸浮之力，正是讓人類垂涎三尺，欲滅納威人而后快的東西。

而這一切，都與超導(dǎo)現(xiàn)象有關(guān)。

因?yàn)榇嬖?ldquo;電阻”，所以電荷經(jīng)過導(dǎo)線時(shí)會有些能量留下來，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。這個(gè)現(xiàn)象有時(shí)會帶來很大麻煩——比如，電動機(jī)要發(fā)熱，輸電線要發(fā)熱，電視機(jī)、筆記本電腦、冰箱等，使用的時(shí)候都要發(fā)熱，這全是我們所不喜歡的。

這就好比你要乘坐地鐵，就一定要買票一樣。不過，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一列“免費(fèi)地鐵”。

1911年，人類第一次觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象。昂內(nèi)斯教授在萊頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室擁有當(dāng)時(shí)世界上最大也最先進(jìn)的制造液氫、液氦的工廠，因此有能力對各種金屬的低溫電性能做測量。

他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低到-269℃左右時(shí)，汞的電阻消失了。后來，他發(fā)現(xiàn)其他金屬也存在這現(xiàn)象。

1913年，昂內(nèi)斯教授因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

當(dāng)然，超導(dǎo)不僅是零電阻這么簡單。它還有完全抗磁性，也就是“邁斯納效應(yīng)”。

超導(dǎo)體“不允許”其內(nèi)部有任何磁場。如果外界有一個(gè)磁場要通過超導(dǎo)體內(nèi)部，那么超導(dǎo)體必然會產(chǎn)生一個(gè)與之相反的磁場，保證內(nèi)部磁場強(qiáng)度為零。這就形成了一個(gè)斥力。

當(dāng)在一個(gè)超導(dǎo)體正下方放置一個(gè)磁體，并使磁感線垂直通過超導(dǎo)體的時(shí)候，超導(dǎo)體將獲得垂直的上浮力。當(dāng)這個(gè)力的大小剛好等于超導(dǎo)體的重力的時(shí)候，超導(dǎo)體就可以懸浮在空中。

《阿凡達(dá)》里，人類在潘多拉星上看到的正是這樣的現(xiàn)象。

不過在現(xiàn)實(shí)世界，超導(dǎo)溫度提高很難。從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由4.2K-269℃左右提高到23.22K，75年時(shí)間才提高了不到20K（注：K開爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對零度）。

1987年，諾貝爾物理獎被頒發(fā)給了德國科學(xué)家柏諾茲與瑞士科學(xué)家繆勒，他們發(fā)現(xiàn)了相對高溫度下的銅基超導(dǎo)體。

此后，包括中國科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)將銅氧化物超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度提升到液氮溫區(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度（約零下233攝氏度），使其成為高溫超導(dǎo)體。

現(xiàn)在，中國科學(xué)家爭分奪秒的研究再度引領(lǐng)了國際超導(dǎo)研究的熱潮，人類進(jìn)入“超導(dǎo)時(shí)代”也許就在不遠(yuǎn)的未來。

超導(dǎo)新世紀(jì)

在超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)一百年后的今天，正如液氦已經(jīng)在大多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)室里隨手可得，超導(dǎo)現(xiàn)象也無處不在。

鉛、錫、鋁、鈾，甚至是陶瓷的小球，都可以在一定溫度以下成為超導(dǎo)體，但它仍然是凝聚態(tài)物理學(xué)中最迷人也是最有挑戰(zhàn)性的課題之一。

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有四十余種元素和幾千種合金和化合物具有超導(dǎo)特性。但科學(xué)家們的探索仍未停止。

而且，超導(dǎo)正越來越頻繁地進(jìn)入人們的生活。

沒有超導(dǎo)就沒有大型粒子對撞機(jī)——浸泡在液氦中數(shù)噸重的超導(dǎo)線圈形成的強(qiáng)磁場用來加速和控制對撞機(jī)中的質(zhì)子流；同樣利用超導(dǎo)的磁懸浮列車，因?yàn)闆]有和軌道的摩擦可以達(dá)到驚人的高速。

超導(dǎo)電纜沒有能量損失，超導(dǎo)也是實(shí)現(xiàn)核磁共振的關(guān)鍵技術(shù)。雖然理論仍然不完備，各種新型的高溫超導(dǎo)材料仍然不停地被制造出來。

在斯坦福大學(xué)物理學(xué)家張首晟的眼中，材料對人類社會的歷史有著非同尋常的意義。

“所有時(shí)代都用材料來命名——石器時(shí)代、鐵器時(shí)代，現(xiàn)在我們正處于硅時(shí)代。”張首晟認(rèn)為，過去人們偶然發(fā)現(xiàn)材料，而一旦我們擁有了預(yù)測材料的能力，情況會大不相同。

他最近帶領(lǐng)一組研究人員設(shè)計(jì)出了一種錫合金材料，在室溫下已經(jīng)具有近似超導(dǎo)的性質(zhì)。

長期以來，銅氧化物高溫超導(dǎo)體一直占據(jù)超導(dǎo)研究界重要位置。但中國科學(xué)院物理研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)向著尋找新一類高溫超導(dǎo)體進(jìn)發(fā)，成功確認(rèn)了鐵基高溫超導(dǎo)體這一非常規(guī)超導(dǎo)體新類型。

此后，中國的鐵基超導(dǎo)研究成果勢如井噴。首先發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度40K以上的鐵基超導(dǎo)體，隨后發(fā)現(xiàn)一系列的轉(zhuǎn)變溫度在50K以上的鐵基超導(dǎo)體，并創(chuàng)造55K（零下218.15攝氏度）的世界紀(jì)錄。

更有意思的是，日本國家材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)表明：一些鐵化合物暴露在氧氣中可能會轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)材料。

幾個(gè)科學(xué)家突發(fā)奇想，試驗(yàn)這種化合物與酒精的反應(yīng)，他們把這種化合物樣品分別放在紅葡萄酒、白葡萄酒、日本清酒、日本燒酒和威士忌中，加熱到70攝氏度，浸泡24個(gè)小時(shí)。

結(jié)果是——這些酒類確實(shí)引發(fā)了（在低溫下的）超導(dǎo)現(xiàn)象，其中紅酒表現(xiàn)得最好。

科學(xué)家們懷疑是酒類中的某些元素加速了這種化合物與氧元素的交換，盡管還沒人知道他們是如何突發(fā)奇想要做這個(gè)聽起來有點(diǎn)奇怪的試驗(yàn)。

也許，正如美國《自然》雜志紀(jì)念超導(dǎo)研究的文章標(biāo)題：《一百歲之際，仍然誘惑但是難以預(yù)料》。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用躍躍欲試

信息通訊、生物醫(yī)學(xué)、能源存儲、交通運(yùn)輸乃至航空航天……材料科學(xué)和工程學(xué)的進(jìn)展使超導(dǎo)進(jìn)一步應(yīng)用在日常生活中，其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景受到越來越廣泛的關(guān)注。

目前，遠(yuǎn)程輸電算得上是超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域最耀眼的“一顆星”。

一些美國科學(xué)家已經(jīng)開始研究建立大規(guī)模的超導(dǎo)電網(wǎng)（在常規(guī)電網(wǎng)中大約有9%的能量消耗在傳輸過程中）。

而來自斯康辛大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)開發(fā)出一種獨(dú)特的多層超導(dǎo)體，它能夠傳輸大量電流。這種超導(dǎo)材料能夠大面積攜帶連續(xù)的強(qiáng)電流。

在醫(yī)療領(lǐng)域，超導(dǎo)技術(shù)則被應(yīng)用于核磁共振成像。

去年，東芝[微博]開發(fā)出了自動繞制三維形狀釔系高溫超導(dǎo)線圈技術(shù)，使得超導(dǎo)設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型輕量化及節(jié)能化，該技術(shù)便可以被用于重離子治癌設(shè)備及MRI（磁共振成像）等醫(yī)療設(shè)備等。

另外，懸浮運(yùn)行的交通工具也是一大備受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)十年前，日本便將目光瞄準(zhǔn)“超導(dǎo)磁懸浮”。這種新技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的鐵軌與鐵路之間的概念聯(lián)系。在超導(dǎo)磁懸浮的技術(shù)框架下，車體在鐵軌上方懸浮行駛，利用磁鐵同極相斥的斥力使車體上浮，再通過馬達(dá)的原理實(shí)現(xiàn)移動。

“我們計(jì)劃在2017年，開通從東京到名古屋的超導(dǎo)磁懸浮列車，2045年實(shí)現(xiàn)東京到大阪全線開通。”日本JR東海公司雄心勃勃。

在投入商業(yè)運(yùn)營后，該公司還準(zhǔn)備在超導(dǎo)磁懸浮特有的驅(qū)動技術(shù)基礎(chǔ)上，組合使用現(xiàn)行新干線的運(yùn)行系統(tǒng)、安全技術(shù)以及地震檢測技術(shù)等。

去年7月，日本鐵道綜合技術(shù)研究所還公開進(jìn)行了全球首例利用超導(dǎo)電纜的電氣列車行駛實(shí)驗(yàn)。

一些新生的應(yīng)用領(lǐng)域也在冒頭。

美國德州大學(xué)達(dá)拉斯分校教授雷˙鮑曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用各種方式制成了碳納米管紗線，并將各種具有重要特性的材料包覆于紗線中，其中包括硼化鎂，這種材料具有39K的超導(dǎo)臨界溫度。而當(dāng)這些材料與紡織物結(jié)合，智能服裝的誕生便埋下了伏筆。

商業(yè)前景不可估量

高溫超導(dǎo)濾波器應(yīng)用于手機(jī)，明顯改善了通信信號；使用超導(dǎo)磁體的磁共振成像儀器為醫(yī)生診斷病人病情提供準(zhǔn)確依據(jù)；具備體積小、效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)的世界上首個(gè)示范性超導(dǎo)變電站，已在我國投入使用……

對人類生活帶來顛覆性改變的超導(dǎo)，已經(jīng)成為不少國家的戰(zhàn)略性技術(shù)儲備之一。

2008年，美國紐約州出現(xiàn)了世界上第一個(gè)商業(yè)性超導(dǎo)電網(wǎng)，美國能源部資助了該項(xiàng)目。

美國亞利桑那州電力機(jī)構(gòu)的執(zhí)行董事約瑟夫-穆赫蘭道等人曾在一份報(bào)告中預(yù)計(jì)，到2025年，美國高溫超導(dǎo)材料相關(guān)銷售將達(dá)18億美元。而每年能節(jié)省下來的能源將達(dá)到1萬Gwh（百萬度），相應(yīng)的碳排放量到2025年有望減少超過160萬公噸。

一系列扶持政策不斷出臺。由于各國面臨電力系統(tǒng)設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施老化等問題，包括美國、歐盟、日本及韓國在內(nèi)的多個(gè)經(jīng)濟(jì)體，相繼出臺大規(guī)模的政策和資金扶持，研發(fā)和生產(chǎn)超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品。

奧巴馬政府還在一份名為“美國電網(wǎng)2030規(guī)劃”的計(jì)劃案中提出第二個(gè)百年設(shè)想：以超導(dǎo)電力技術(shù)為核心建設(shè)骨干電網(wǎng)，在2030年前擁有完全自動化的輸配電系統(tǒng)。

不過，挑戰(zhàn)同樣存在：超導(dǎo)材料若要實(shí)現(xiàn)電阻為零的超導(dǎo)狀態(tài)，必須要有極低溫的環(huán)境。而目前普遍使用的液氮，成本極高。更具前景的室溫條件超導(dǎo)，被視為未來的重要研究命題之一。

2012年，萊比錫大學(xué)的研究人員報(bào)告說，片狀的石墨顆粒浸泡在水中似乎能夠在高于100攝氏度的溫度下持續(xù)產(chǎn)生超導(dǎo)作用。相關(guān)研究被發(fā)表在期刊《先進(jìn)材料》上，備受矚目。

現(xiàn)在，科技巨擘IBM正不斷探索，期望室溫超導(dǎo)技術(shù)或許會在某一天取代硬盤驅(qū)動。IBM磁電子學(xué)主管斯圖爾特-;帕金相信，他們正在發(fā)現(xiàn)合成材料的路途上，這些材料有望在室溫中成為超導(dǎo)體。

顯然，科學(xué)家們?nèi)匀恍枰园簝?nèi)斯當(dāng)年熱情和勤奮，來構(gòu)造一個(gè)“超導(dǎo)時(shí)代”。