超導(dǎo)技術(shù) 超凡脫俗

不久前，我國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)體統(tǒng)一相圖研究上取得進展，人們對鐵基超導(dǎo)的物理特性認識更進一步。而在3年前，中科院物理所和中國科技大學(xué)的研究團隊以在鐵基超導(dǎo)研究上的突破，獲得國家自然科學(xué)一等獎，結(jié)束了該獎項連續(xù)3年的空缺。超導(dǎo)為何如此重要？

如果采用超導(dǎo)輸電線，我國每年節(jié)省的電量相當于數(shù)十個發(fā)電廠的發(fā)電量

把材料置于零下兩三百攝氏度的溫度下，將會怎樣？超導(dǎo)材料的表現(xiàn)是：電阻突然消失了。這可不是簡單的變化，零電阻的超導(dǎo)體被認為有望給電力工業(yè)帶來革新。

日常生活中，電器、電線會發(fā)熱，是因為電流和電器、電線發(fā)生了“摩擦”，這種“摩擦”就是電阻的來源，電阻產(chǎn)生的熱量實際是電能浪費。事實上，電在從發(fā)電廠“趕往”工廠、住宅、學(xué)校的路上，就已經(jīng)被輸電線的電阻消耗了不少。

專家介紹，因為電阻為零，超導(dǎo)材料在傳輸電的過程中就沒有損耗。此外，采用超導(dǎo)輸電還能簡化變壓器、電動機和發(fā)電機等熱絕緣，并保證輸電的穩(wěn)定性，提高輸電的安全性。

有專家測算，目前采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗約為15%，我國每年的輸電損耗就達1000億度左右；如果采用超導(dǎo)輸電線，每年節(jié)省的電量相當于數(shù)十個發(fā)電廠的發(fā)電量。

超導(dǎo)材料另一個特性是完全抗磁性，即超導(dǎo)體一旦進入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣。這是因為超導(dǎo)體在靠近磁場時會在其表面感應(yīng)出超導(dǎo)電流，這個超導(dǎo)電流會在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一個與外磁場方向相反大小相等的磁場，外界磁場根本進不去，兩種磁場相互抵消，從而體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零。

專家表示，無論是先置入外磁場中后降溫到超導(dǎo)態(tài)，還是先降溫到超導(dǎo)態(tài)再放入外磁場中，外磁場的磁力線都無法穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部。超導(dǎo)磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢，因此臨床上采用的高分辨核磁共振成像技術(shù)，很多依靠的是超導(dǎo)磁體。

抗磁性還讓超導(dǎo)體能在交通領(lǐng)域大展身手。由于磁力線幾乎無法進入超導(dǎo)體的體內(nèi)，將超導(dǎo)體置于普通磁體產(chǎn)生的磁場中時，會達到懸浮的效果，高速超導(dǎo)磁懸浮列車設(shè)想應(yīng)用的正是這一原理。超導(dǎo)磁懸浮列車將為人們提供更高速、穩(wěn)定和安全的軌道運輸。

超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用的難點是，缺乏適合應(yīng)用的、臨界溫度更高的超導(dǎo)體。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯等人測量金屬汞的電阻時，驚奇地發(fā)現(xiàn)溫度降至極低后，汞的電阻突然消失。金屬汞也成為人類發(fā)現(xiàn)的第一個超導(dǎo)體。

不過，汞要冷卻到4.2K（0K等于零下273攝氏度，4.2K約為零下269攝氏度）才有超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個極低的溫度，需要依靠昂貴的液氮來維持，推廣應(yīng)用幾乎不可能。因此，從超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)第一天起，科學(xué)家一直在尋找有應(yīng)用價值的高溫超導(dǎo)體。

在鐵基高溫超導(dǎo)體基礎(chǔ)研究上，我國處于世界前列

超導(dǎo)研究在科學(xué)上的重要性及其巨大的應(yīng)用前景，吸引了許多科學(xué)家的目光。超導(dǎo)研究百年歷史上，有10人獲得諾貝爾獎。

1968年，物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算推斷，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40K（約零下233攝氏度），這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

人類對超導(dǎo)的應(yīng)用是否只能被限制在40K以下？40K的極限溫度能否被突破？為了探索這個問題，科學(xué)家們做了無數(shù)次嘗試。1986年，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體。銅基超導(dǎo)成為高溫超導(dǎo)家族中的一員，在很長一段時間內(nèi)成為科學(xué)家的主要研究方向。

我國科學(xué)家在銅基超導(dǎo)研究上也作出了重要貢獻。比如，1987年初，中科院物理所團隊在鋇—釔—銅—氧中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度93K（約零下180攝氏度）的液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，并在世界上首次公布了元素組成，刮起了一陣研究液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的旋風。

經(jīng)過科學(xué)家的努力，雖然銅基高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)量和性能不斷提高，但它有兩個致命的缺陷。第一，作為一種金屬陶瓷材料，它在柔韌性和延展性上遠遠不如金屬材料，加工工藝也嚴苛，在材料機械加工等方面存在巨大的困難；第二，它可以負載的最大電流相對較低，無法在一些需要高電流強磁場的領(lǐng)域應(yīng)用。

鐵元素作為典型的磁性元素，曾一度被認為是探索高溫超導(dǎo)體的禁區(qū)。2008年3月，日本的一位科學(xué)家無意中發(fā)現(xiàn)了鐵基高溫超導(dǎo)材料。但由于日本科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)樣品轉(zhuǎn)變溫度只有26K（約零下247攝氏度）——因為沒有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定是鐵基高溫超導(dǎo)體。

隨后不久，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了臨界溫度超過40K的鐵基超導(dǎo)體，突破了麥克米蘭極限溫度，證明鐵基超導(dǎo)材料是繼銅氧化物超導(dǎo)體之后的新型高溫超導(dǎo)材料。其中，中國科學(xué)院院士趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用高壓合成技術(shù)高效地制備了一大批不同元素構(gòu)成的鐵基超導(dǎo)材料，轉(zhuǎn)變溫度很多達到50K（約零下223攝氏度）以上，并創(chuàng)造了55K（約零下218攝氏度）的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀錄。

我國科學(xué)家還對鐵基超導(dǎo)體若干基本物理性質(zhì)進行了深入研究，確認了它的非常規(guī)性。鐵基超導(dǎo)被確認為新一類高溫超導(dǎo)體，引起了國際物理學(xué)界的極大關(guān)注，成為科學(xué)家研究的熱點。鐵基超導(dǎo)材料也因其在交通運輸、醫(yī)學(xué)、國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，被《科學(xué)》雜志稱為是目前最具有發(fā)展前景的新型高溫超導(dǎo)體之一。

目前，我國科學(xué)家在鐵基高溫超導(dǎo)體基礎(chǔ)研究上處于世界前列。

我國已率先研制出首根百米量級鐵基超導(dǎo)長線

超導(dǎo)體要實現(xiàn)規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用，將實驗室的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，還少不了工程方面的工作。值得欣慰的是，自2008年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體以來，我國在鐵基超導(dǎo)材料研究和制備上同樣做到了領(lǐng)跑。

研制鐵基超導(dǎo)線的技術(shù)難點是找到均勻、穩(wěn)定、可重復(fù)性的制備方法。2008年，中科院電工所研究員馬衍偉帶領(lǐng)團隊采用粉末裝管法，率先制備出世界首根鐵基超導(dǎo)線帶材。雖然其后驗證發(fā)現(xiàn)其傳輸電流為零，說明這根線材沒有太大意義，但團隊由此找到了制備鐵基超導(dǎo)線材的路徑。

2010年，馬衍偉團隊首創(chuàng)鐵基超導(dǎo)前驅(qū)粉先位燒結(jié)工藝，為線材載流性能顯著提升奠定了基礎(chǔ)；2011年，研究團隊解決鐵基超導(dǎo)體的弱連接問題，提升了載流能力，并測得其臨界傳輸電流達到180安培，相應(yīng)臨界電流密度超過25000安培/平方厘米。

2012年，馬衍偉團隊進一步優(yōu)化織構(gòu)化鐵基超導(dǎo)帶材的制備工藝，大幅度提高了超導(dǎo)電流，其臨界電流密度在10特斯拉的強磁場下達到17000安培，證明了鐵基超導(dǎo)材料在強電應(yīng)用上的巨大潛力。

米級的鐵基超導(dǎo)線性能不斷提高，但鐵基超導(dǎo)材料要走向大規(guī)模應(yīng)用，還要制備出高性能長線。

2015年，馬衍偉團隊成功研制出國際上第一根10米量級的高性能122型鐵基超導(dǎo)長線，實現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)線帶材制備的新突破。不過，要達到實用級別，10米量級的鐵基超導(dǎo)線還遠遠滿足不了規(guī)?；苽湫枨?。

長線線材制備難點在哪里？“線帶材越長，均勻性越難控制，這對超導(dǎo)線制備中的各項工藝技術(shù)都提出了很高的要求?！瘪R衍偉說。

2016年9月，馬衍偉團隊優(yōu)化了設(shè)計和加工方案，成功研制國際上首根100米量級鐵基超導(dǎo)長線。經(jīng)測試，該超導(dǎo)線載流性能表現(xiàn)良好，10特斯拉高磁場下的臨界電流密度超過12000安培/平方厘米，初步具備了應(yīng)用的價值。

目前，世界上其他國家的鐵基超導(dǎo)線制備仍處于米級水平。專家表示，百米量級鐵基超導(dǎo)線的成功研制，表明我國已率先掌握了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鐵基超導(dǎo)長線制備技術(shù)，鞏固了我國在鐵基超導(dǎo)相關(guān)研究上的領(lǐng)先地位，有利于我國占領(lǐng)新型超導(dǎo)材料及其應(yīng)用發(fā)展的制高點。