李登仟

2017年1月19日，劍橋大學的研究人員在《自然》雜志的子刊《自然通訊》上發(fā)表文章稱，找到了實現(xiàn)石墨烯超導的方法。1月26日，哈佛大學的研究人員又在《科學》雜志上發(fā)文宣稱他們發(fā)現(xiàn)了金屬氫（研究人員在兩塊金剛石上施加了500萬個大氣壓來壓縮氫氣才得以形成金屬氫的），而金屬氫被科學家們認為是極有可能作為室溫超導體的。為什么科學家們一個勁地想找到越來越多的高溫超導體，高溫超導體對人們的日常生活會有怎樣的意義呢？

性格高冷

超導體這個名字貌似聽著挺耳熟的，但是似乎又離我們很遙遠，它到底是個啥呢？通俗來講，具備這兩個特性的物體就可以稱為超導體：零電阻和完全抗磁性。零電阻指的是電流流過超導體時，電流不會有一丁點的衰減，而恰恰這一特性可以使得通過電流的超導體產(chǎn)生無損耗的強大磁場。完全抗磁性指的是，當超導體處于磁場中時，超導體由于自身的“特異功能”而完全排斥外界磁場，不讓磁場穿過自身。

超導體最初是由荷蘭的物理學家昂納斯發(fā)現(xiàn)的。他最先發(fā)現(xiàn)的是液態(tài)金屬汞具有超導性，并且汞的超導電性只有在-268.95℃才能表現(xiàn)出來。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，汞的電阻突變?yōu)榱懔瞬⑶疫€具有完全抗磁性。超導體并不是隨處可見的，即便到了今天，都要在-200℃左右才能實現(xiàn)超導狀態(tài)。超導的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有100多年了，為了提高超導體的轉(zhuǎn)變溫度，科學家們可是煞費苦心。

才華出眾

超導體所產(chǎn)生的超強磁場和完全抗拒外界磁場的性能讓科學家們驚嘆不已。對于具有零電流損耗的超導體來說，如果能將其應用到醫(yī)療、電力、交通、科研和軍事方面的話，人們的生活將會發(fā)生翻天覆地的變化。不信？往下看。

超導電纜

相對于傳統(tǒng)的電纜而言，超導電纜由于其零電阻的特性，可大大節(jié)約電力實現(xiàn)無阻力輸送。超導電纜大致由液氮、支撐骨架、超導帶材、絕熱層、電絕緣層、銅屏蔽層和外保護層組成。制造長距離的超導電纜最棘手的問題之一在于電纜中液氮的保溫。只有當超導帶材完全處于臨界溫度之下才能實現(xiàn)超導，所以這就對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，這也對超導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。

相對于傳統(tǒng)輸電線而言，超導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%，超導電纜如果能廣泛投入使用，全球的能源消耗將會大幅度減少。

超導殺菌

隨著生活水平的不斷提高，人們對食品安全的關注度也在日益加深，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，并應用到實際生產(chǎn)中。其中，脈沖超導強磁場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，想要利用脈沖磁場進行殺菌，只需將脈沖的交變磁場施加在細菌所處的空間中。當細菌切割磁感線運動時，細菌的內(nèi)部就會產(chǎn)生相應的變化的磁通量，變化的磁通量必然會激勵起感應電流。研究表明當感應電流達到一定強度時，會使得細胞的蛋白質(zhì)結構和酶的活性受到破壞，進而讓細菌死亡，以達到殺菌的作用。為了減少能量的損耗，我們可以利用超導體在其臨界溫度下的無阻性，進而產(chǎn)生源源不斷的脈沖磁場來殺菌。

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

超導處理廢水

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，很多都是以犧牲環(huán)境為代價的。工廠的一個“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沉降、物理吸附和電解法。當然，不管采用哪種方法，廢水處理均不徹底。

這時，科學家們就想出了一個極為有效的辦法：超導強磁分離廢水。不過用超導強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，超導體就派上用場了。因為超導體通上電流之后所產(chǎn)生的強磁場可以讓磁化后的廢水受到一個磁場力，有了力的作用之后，磁場力的拖拽作用就可以將廢水中的有害物質(zhì)相互分離，剩下的就是簡單的過濾了。

超導粒子對撞機

2016年9月初，諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧和中科院院士王貽芳，對于中國是否應該建設大型對撞機一事有過激烈的爭論。楊振寧并不主張中國目前建設巨型粒子對撞機，而王貽芳則持相反的態(tài)度。雙方言論一出，物理學界的各路英雄好漢統(tǒng)統(tǒng)跑來圍觀。過了幾個月，有物理學家感嘆道：這是有史以來，中國科學界關于科學問題的最激烈的論戰(zhàn)。

對于中國是否建造世界上最大的粒子對撞機，我們現(xiàn)在還不得而知。我們所知道的是，在這個粒子對撞機上就有著超導的應用之一——超導強磁場。

一般而言，要想實現(xiàn)粒子的對撞（這就好像用兩個小彈珠相互正面碰撞），就需要控制粒子的路徑。通常物理學家們把粒子對撞機做成環(huán)形的，讓粒子在環(huán)形的對撞機里用電場加速，因為電場會給帶電粒子一個電場力，推動它們前進。加速的同時就要好好控制粒子的運動方向了，這時就要用到磁場了。帶電粒子在磁場中運動時，會受到一個所謂的“洛倫茲力”，洛倫茲力會使得粒子做圓周運動，這樣就可以很好地把帶電粒子限制在環(huán)形的對撞機里，這樣的裝置稱為“托卡馬克裝置”。

前面已經(jīng)說過了，超導體具有零電阻性能，只要超導體通上電流，就可以無損耗地產(chǎn)生強大的磁場了。一般的磁場無法束縛住高能量的帶電粒子，而超導強磁場就可以輕輕松松搞定。

目前，研究超導的物理學家們兵分兩路。一小部分人加班加點研究超導的理論機制，想弄清楚超導到底遵循怎樣的物理定律。另一部分人馬不停蹄地通過改變超導體的各項結構參數(shù)來制備超導體。但是他們的目的都只有一個——提高超導體的臨界轉(zhuǎn)變溫度，進而提高其利用率。事實上，超導體不僅可以應用于殺菌、處理廢水、電力輸送和對撞機，還能廣泛地應用于醫(yī)療（比如超導核磁共振儀）和超導計算機等。但是鑒于目前超導體需要在-200℃左右才能實現(xiàn)，所以要想達到近室溫的溫度還有很長的路要走啊。