為啥科學(xué)家一個(gè)勁地想找到高溫超導(dǎo)體？

李登仟

2017年1月19日，劍橋大學(xué)的研究人員在《自然》雜志的子刊《自然通訊》上發(fā)表文章稱(chēng)，找到了實(shí)現(xiàn)石墨烯超導(dǎo)的方法。1月26日，哈佛大學(xué)的研究人員又在《科學(xué)》雜志上發(fā)文宣稱(chēng)他們發(fā)現(xiàn)了金屬氫（研究人員在兩塊金剛石上施加了500萬(wàn)個(gè)大氣壓來(lái)壓縮氫氣才得以形成金屬氫的），而金屬氫被科學(xué)家們認(rèn)為是極有可能作為室溫超導(dǎo)體的。為什么科學(xué)家們一個(gè)勁地想找到越來(lái)越多的高溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)體對(duì)人們的日常生活會(huì)有怎樣的意義呢？

性格高冷

超導(dǎo)體這個(gè)名字貌似聽(tīng)著挺耳熟的，但是似乎又離我們很遙遠(yuǎn)，它到底是個(gè)啥呢？通俗來(lái)講，具備這兩個(gè)特性的物體就可以稱(chēng)為超導(dǎo)體：零電阻和完全抗磁性。零電阻指的是電流流過(guò)超導(dǎo)體時(shí)，電流不會(huì)有一丁點(diǎn)的衰減，而恰恰這一特性可以使得通過(guò)電流的超導(dǎo)體產(chǎn)生無(wú)損耗的強(qiáng)大磁場(chǎng)。完全抗磁性指的是，當(dāng)超導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，超導(dǎo)體由于自身的“特異功能”而完全排斥外界磁場(chǎng)，不讓磁場(chǎng)穿過(guò)自身。

超導(dǎo)體最初是由荷蘭的物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)的。他最先發(fā)現(xiàn)的是液態(tài)金屬汞具有超導(dǎo)性，并且汞的超導(dǎo)電性只有在-268.95℃才能表現(xiàn)出來(lái)。即在通常的情況下汞具有一定的電阻，但是如果將汞冷卻到-268.95℃時(shí)，汞的電阻突變?yōu)榱懔瞬⑶疫€具有完全抗磁性。超導(dǎo)體并不是隨處可見(jiàn)的，即便到了今天，都要在-200℃左右才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有100多年了，為了提高超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度，科學(xué)家們可是煞費(fèi)苦心。

才華出眾

超導(dǎo)體所產(chǎn)生的超強(qiáng)磁場(chǎng)和完全抗拒外界磁場(chǎng)的性能讓科學(xué)家們驚嘆不已。對(duì)于具有零電流損耗的超導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，如果能將其應(yīng)用到醫(yī)療、電力、交通、科研和軍事方面的話，人們的生活將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。不信？往下看。

超導(dǎo)電纜

相對(duì)于傳統(tǒng)的電纜而言，超導(dǎo)電纜由于其零電阻的特性，可大大節(jié)約電力實(shí)現(xiàn)無(wú)阻力輸送。超導(dǎo)電纜大致由液氮、支撐骨架、超導(dǎo)帶材、絕熱層、電絕緣層、銅屏蔽層和外保護(hù)層組成。制造長(zhǎng)距離的超導(dǎo)電纜最棘手的問(wèn)題之一在于電纜中液氮的保溫。只有當(dāng)超導(dǎo)帶材完全處于臨界溫度之下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，所以這就對(duì)保溫層的材料提出了高要求。另外，由于液氮的溫度為-196℃左右，這也對(duì)超導(dǎo)電纜線中裝液氮的支撐管的材料提出了要求——在如此低的溫度下，支撐管的材料要不易受冷脆化。

相對(duì)于傳統(tǒng)輸電線而言，超導(dǎo)電纜的輸送效率提高了5倍左右，質(zhì)量相比傳統(tǒng)電纜減輕了近80%，超導(dǎo)電纜如果能廣泛投入使用，全球的能源消耗將會(huì)大幅度減少。

超導(dǎo)殺菌

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品安全的關(guān)注度也在日益加深，新的環(huán)保、高效以及不受環(huán)境溫度影響的殺菌方法也相繼被提出來(lái)，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。其中，脈沖超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)殺菌法就是這樣一種環(huán)保、高效并且不改變環(huán)境溫度的殺菌“黑馬”。

它是怎么辦到的呢？一般而言，想要利用脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行殺菌，只需將脈沖的交變磁場(chǎng)施加在細(xì)菌所處的空間中。當(dāng)細(xì)菌切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，細(xì)菌的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化的磁通量，變化的磁通量必然會(huì)激勵(lì)起感應(yīng)電流。研究表明當(dāng)感應(yīng)電流達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使得細(xì)胞的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和酶的活性受到破壞，進(jìn)而讓細(xì)菌死亡，以達(dá)到殺菌的作用。為了減少能量的損耗，我們可以利用超導(dǎo)體在其臨界溫度下的無(wú)阻性，進(jìn)而產(chǎn)生源源不斷的脈沖磁場(chǎng)來(lái)殺菌。

相對(duì)于其他的殺菌方式而言，脈沖磁場(chǎng)殺菌不受環(huán)境溫度的影響并且殺菌的過(guò)程中幾乎不改變環(huán)境的溫度，殺菌后的食物還具有風(fēng)味佳和耐儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。因而，我們有理由相信脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)殺菌技術(shù)將會(huì)惠及更多的民眾。

超導(dǎo)處理廢水

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，很多都是以犧牲環(huán)境為代價(jià)的。工廠的一個(gè)“代謝物”就是工業(yè)廢水，現(xiàn)在處理廢水的方法不外乎化學(xué)沉降、物理吸附和電解法。當(dāng)然，不管采用哪種方法，廢水處理均不徹底。

這時(shí)，科學(xué)家們就想出了一個(gè)極為有效的辦法：超導(dǎo)強(qiáng)磁分離廢水。不過(guò)用超導(dǎo)強(qiáng)磁處理廢水之前需要在廢水中添加磁種，將非磁性物質(zhì)磁化。磁化之后，超導(dǎo)體就派上用場(chǎng)了。因?yàn)槌瑢?dǎo)體通上電流之后所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以讓磁化后的廢水受到一個(gè)磁場(chǎng)力，有了力的作用之后，磁場(chǎng)力的拖拽作用就可以將廢水中的有害物質(zhì)相互分離，剩下的就是簡(jiǎn)單的過(guò)濾了。

超導(dǎo)粒子對(duì)撞機(jī)

2016年9月初，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧和中科院院士王貽芳，對(duì)于中國(guó)是否應(yīng)該建設(shè)大型對(duì)撞機(jī)一事有過(guò)激烈的爭(zhēng)論。楊振寧并不主張中國(guó)目前建設(shè)巨型粒子對(duì)撞機(jī)，而王貽芳則持相反的態(tài)度。雙方言論一出，物理學(xué)界的各路英雄好漢統(tǒng)統(tǒng)跑來(lái)圍觀。過(guò)了幾個(gè)月，有物理學(xué)家感嘆道：這是有史以來(lái)，中國(guó)科學(xué)界關(guān)于科學(xué)問(wèn)題的最激烈的論戰(zhàn)。

對(duì)于中國(guó)是否建造世界上最大的粒子對(duì)撞機(jī)，我們現(xiàn)在還不得而知。我們所知道的是，在這個(gè)粒子對(duì)撞機(jī)上就有著超導(dǎo)的應(yīng)用之一——超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)。

一般而言，要想實(shí)現(xiàn)粒子的對(duì)撞（這就好像用兩個(gè)小彈珠相互正面碰撞），就需要控制粒子的路徑。通常物理學(xué)家們把粒子對(duì)撞機(jī)做成環(huán)形的，讓粒子在環(huán)形的對(duì)撞機(jī)里用電場(chǎng)加速，因?yàn)殡妶?chǎng)會(huì)給帶電粒子一個(gè)電場(chǎng)力，推動(dòng)它們前進(jìn)。加速的同時(shí)就要好好控制粒子的運(yùn)動(dòng)方向了，這時(shí)就要用到磁場(chǎng)了。帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到一個(gè)所謂的“洛倫茲力”，洛倫茲力會(huì)使得粒子做圓周運(yùn)動(dòng)，這樣就可以很好地把帶電粒子限制在環(huán)形的對(duì)撞機(jī)里，這樣的裝置稱(chēng)為“托卡馬克裝置”。

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，超導(dǎo)體具有零電阻性能，只要超導(dǎo)體通上電流，就可以無(wú)損耗地產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)了。一般的磁場(chǎng)無(wú)法束縛住高能量的帶電粒子，而超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)就可以輕輕松松搞定。

目前，研究超導(dǎo)的物理學(xué)家們兵分兩路。一小部分人加班加點(diǎn)研究超導(dǎo)的理論機(jī)制，想弄清楚超導(dǎo)到底遵循怎樣的物理定律。另一部分人馬不停蹄地通過(guò)改變超導(dǎo)體的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)制備超導(dǎo)體。但是他們的目的都只有一個(gè)——提高超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而提高其利用率。事實(shí)上，超導(dǎo)體不僅可以應(yīng)用于殺菌、處理廢水、電力輸送和對(duì)撞機(jī)，還能廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療（比如超導(dǎo)核磁共振儀）和超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。但是鑒于目前超導(dǎo)體需要在-200℃左右才能實(shí)現(xiàn)，所以要想達(dá)到近室溫的溫度還有很長(zhǎng)的路要走啊。