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超导的诱惑

发布时间:2020-01-14 18:03:07 阅读: 来源:电能表厂家

超导行业产业链图示

从医院超导核磁共振检查仪器,到长距离输电,超导为我们描述的前景越来越环保。而诸多产业链空间也正等待挖掘。

根据申银万国的研究,目前的超导行业产业链由三部分组成:上游矿资源,如钡、铋等金属,是超导行业的基础;中游是超导材料如氧化钇钡铜等,是超导行业的核心;下游是超导应用产品,如超导电缆、超导限流器、超导滤波有人说,人类文明史可以用材料来划分,石器时代、青铜时代、铁器时代……

那么,下一个可以用来划分时代的材料,就是超导。

⊙记者 王宙洁 ○编辑 龚维松

“超导百年不衰的原因之一,就是为发现室温超导,它将给人们生活带来的变化是天翻地覆的。

到那个时候,我们可能生活在《阿凡达》电影中,居住在悬浮的超导屋里,出门坐上无轨无轮的超导车,甚至手机、手提电脑充一次电就能用上好几个月。”

——国家自然科学一等奖获得者

陈仙辉

“美国的铁路建成长度居世界之首;英国乔治五世加冕君主制继续;德国的军事演习首次出现飞机;法国受邀占领摩洛哥首都,引发德国派遣战舰抗议;俄国要求扩大在华权益;日本新闻检阅制度强化,天皇批准出兵干涉辛亥革命……”

1911年,中国辛亥年,这一年爆发的辛亥革命结束了中国几千年的帝制。这时候,世界其他的地方也不平静,以上就是学者张鸣在《辛亥:摇晃的中国》一书中列出的其他几个国家当时发生的大事。

相比于这些国际大事,同是这一年的4月,在安静的荷兰小城莱顿的一个低温物理实验室中,卡末林-昂内斯(Kamerlingh-Onnes)发现超导现象显得并不是那么轰动。

但一个世纪之后,人们发现,超导对人类社会的影响并不亚于当时发生的那些国际大事,它给科研领域和日常生活带来了深远的影响。

今天,越来越多的科幻片中出现了飘浮在空中的建筑物,飞速的磁悬浮列车甚至已经冲进了现实生活。

从美国马里兰州最大城市巴尔的摩市到50公里外的华盛顿,仅仅需要15分钟,当高速超导磁悬浮列车在95号州际公路上疾驰,你甚至还来不及阅读积存的电子邮件,就已经达到了目的地。

然而,超导现象的发现并不能算是妙手偶得的意外之喜,这是一个大批科学家不断跟踪研究,从理论到实践,又从实践到理论,不断改善实验手段,最终收获惊喜的经典故事。

历史上,有五次诺贝尔奖都颁给了这一领域的研究。

在中国,连续三年空缺的国家自然科学一等奖,今年也有了归属——中国科学院物理所和中国科技大学的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”,问鼎国家自然科学一等奖。

在发现超导现象的一百年后,它的诱惑力依然强大。

什么是“超导”?

2014年1月10日,中科大陈仙辉教授与中国科学院物理所的合作者,由于在铁基高温超导研究领域做出的突出贡献,被授予国家自然科学一等奖。

究竟什么是“超导”?

如果你看过电影《阿凡达》,一定记得里面那座飘在半空的“哈利路亚山”。要知道,哈利路亚山的悬浮之力,正是让人类垂涎三尺,欲灭纳威人而后快的东西。

而这一切,都与超导现象有关。

因为存在“电阻”,所以电荷经过导线时会有些能量留下来,转变为热量。这个现象有时会带来很大麻烦——比如,电动机要发热,输电线要发热,电视机、笔记本电脑、冰箱等,使用的时候都要发热,这全是我们所不喜欢的。

这就好比你要乘坐地铁,就一定要买票一样。不过,科学家们发现了一列“免费地铁”。

1911年,人类第一次观察到了超导现象。昂内斯教授在莱顿大学的实验室拥有当时世界上最大也最先进的制造液氢、液氦的工厂,因此有能力对各种金属的低温电性能做测量。

他发现,当温度降低到-269℃左右时,汞的电阻消失了。后来,他发现其他金属也存在这现象。

1913年,昂内斯教授因为这个发现被授予诺贝尔物理学奖。

当然,超导不仅是零电阻这么简单。它还有完全抗磁性,也就是“迈斯纳效应”。

超导体“不允许”其内部有任何磁场。如果外界有一个磁场要通过超导体内部,那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场,保证内部磁场强度为零。这就形成了一个斥力。

当在一个超导体正下方放置一个磁体,并使磁感线垂直通过超导体的时候,超导体将获得垂直的上浮力。当这个力的大小刚好等于超导体的重力的时候,超导体就可以悬浮在空中。

《阿凡达》里,人类在潘多拉星上看到的正是这样的现象。

不过在现实世界,超导温度提高很难。从1911年至1986年,超导温度由4.2K-269℃左右提高到23.22K,75年时间才提高了不到20K(注:K开尔文温标,起点为绝对零度)。

1987年,诺贝尔物理奖被颁发给了德国科学家柏诺兹与瑞士科学家缪勒,他们发现了相对高温度下的铜基超导体。

此后,包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提升到液氮温区以上,突破了麦克米兰极限温度(约零下233摄氏度),使其成为高温超导体。

现在,中国科学家争分夺秒的研究再度引领了国际超导研究的热潮,人类进入“超导时代”也许就在不远的未来。

超导新世纪

在超导现象发现一百年后的今天,正如液氦已经在大多数物理实验室里随手可得,超导现象也无处不在。

铅、锡、铝、铀,甚至是陶瓷的小球,都可以在一定温度以下成为超导体,但它仍然是凝聚态物理学中最迷人也是最有挑战性的课题之一。

目前,已经发现有四十余种元素和几千种合金和化合物具有超导特性。但科学家们的探索仍未停止。

而且,超导正越来越频繁地进入人们的生活。

没有超导就没有大型粒子对撞机——浸泡在液氦中数吨重的超导线圈形成的强磁场用来加速和控制对撞机中的质子流;同样利用超导的磁悬浮列车,因为没有和轨道的摩擦可以达到惊人的高速。

超导电缆没有能量损失,超导也是实现核磁共振的关键技术。虽然理论仍然不完备,各种新型的高温超导材料仍然不停地被制造出来。

在斯坦福大学物理学家张首晟的眼中,材料对人类社会的历史有着非同寻常的意义。

“所有时代都用材料来命名——石器时代、铁器时代,现在我们正处于硅时代。”张首晟认为,过去人们偶然发现材料,而一旦我们拥有了预测材料的能力,情况会大不相同。

他最近带领一组研究人员设计出了一种锡合金材料,在室温下已经具有近似超导的性质。

长期以来,铜氧化物高温超导体一直占据超导研究界重要位置。但中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队向着寻找新一类高温超导体进发,成功确认了铁基高温超导体这一非常规超导体新类型。

此后,中国的铁基超导研究成果势如井喷。首先发现转变温度40K以上的铁基超导体,随后发现一系列的转变温度在50K以上的铁基超导体,并创造55K(零下218.15摄氏度)的世界纪录。

更有意思的是,日本国家材料实验室进行的一个实验表明:一些铁化合物暴露在氧气中可能会转变成超导材料。

几个科学家突发奇想,试验这种化合物与酒精的反应,他们把这种化合物样品分别放在红葡萄酒、白葡萄酒、日本清酒、日本烧酒和威士忌中,加热到70摄氏度,浸泡24个小时。

结果是——这些酒类确实引发了(在低温下的)超导现象,其中红酒表现得最好。

科学家们怀疑是酒类中的某些元素加速了这种化合物与氧元素的交换,尽管还没人知道他们是如何突发奇想要做这个听起来有点奇怪的试验。

也许,正如美国《自然》杂志纪念超导研究的文章标题:《一百岁之际,仍然诱惑但是难以预料》。

产业应用跃跃欲试

信息通讯、生物医学、能源存储、交通运输乃至航空航天……材料科学和工程学的进展使超导进一步应用在日常生活中,其产业应用前景受到越来越广泛的关注。

目前,远程输电算得上是超导应用领域最耀眼的“一颗星”。

一些美国科学家已经开始研究建立大规模的超导电网(在常规电网中大约有9%的能量消耗在传输过程中)。

而来自斯康辛大学材料科学与工程学的科学家团队,已经开发出一种独特的多层超导体,它能够传输大量电流。这种超导材料能够大面积携带连续的强电流。

在医疗领域,超导技术则被应用于核磁共振成像。

去年,东芝开发出了自动绕制三维形状钇系高温超导线圈技术,使得超导设备实现小型轻量化及节能化,该技术便可以被用于重离子治癌设备及MRI(磁共振成像)等医疗设备等。

另外,悬浮运行的交通工具也是一大备受关注的应用领域。

数十年前,日本便将目光瞄准“超导磁悬浮”。这种新技术颠覆了传统的铁轨与铁路之间的概念联系。在超导磁悬浮的技术框架下,车体在铁轨上方悬浮行驶,利用磁铁同极相斥的斥力使车体上浮,再通过马达的原理实现移动。

“我们计划在2017年,开通从东京到名古屋的超导磁悬浮列车,2045年实现东京到大阪全线开通。”日本JR东海公司雄心勃勃。

在投入商业运营后,该公司还准备在超导磁悬浮特有的驱动技术基础上,组合使用现行新干线的运行系统、安全技术以及地震检测技术等。

去年7月,日本铁道综合技术研究所还公开进行了全球首例利用超导电缆的电气列车行驶实验。

一些新生的应用领域也在冒头。

美国德州大学达拉斯分校教授雷·鲍曼领导的研究小组,利用各种方式制成了碳纳米管纱线,并将各种具有重要特性的材料包覆于纱线中,其中包括硼化镁,这种材料具有39K的超导临界温度。而当这些材料与纺织物结合,智能服装的诞生便埋下了伏笔。

商业前景不可估量

高温超导滤波器应用于手机,明显改善了通信信号;使用超导磁体的磁共振成像仪器为医生诊断病人病情提供准确依据;具备体积小、效率高、无污染等优点的世界上首个示范性超导变电站,已在我国投入使用……

对人类生活带来颠覆性改变的超导,已经成为不少国家的战略性技术储备之一。

2008年,美国纽约州出现了世界上第一个商业性超导电网,美国能源部资助了该项目。

美国亚利桑那州电力机构的执行董事约瑟夫·穆赫兰道等人曾在一份报告中预计,到2025年,美国高温超导材料相关销售将达18亿美元。而每年能节省下来的能源将达到1万Gwh(百万度),相应的碳排放量到2025年有望减少超过160万公吨。

一系列扶持政策不断出台。由于各国面临电力系统设备及基础设施老化等问题,包括美国、欧盟、日本及韩国在内的多个经济体,相继出台大规模的政策和资金扶持,研发和生产超导应用产品。

奥巴马政府还在一份名为“美国电网2030规划”的计划案中提出第二个百年设想:以超导电力技术为核心建设骨干电网,在2030年前拥有完全自动化的输配电系统。

不过,挑战同样存在:超导材料若要实现电阻为零的超导状态,必须要有极低温的环境。而目前普遍使用的液氮,成本极高。更具前景的室温条件超导,被视为未来的重要研究命题之一。

2012年,莱比锡大学的研究人员报告说,片状的石墨颗粒浸泡在水中似乎能够在高于100摄氏度的温度下持续产生超导作用。相关研究被发表在期刊《先进材料》上,备受瞩目。

现在,科技巨擘IBM正不断探索,期望室温超导技术或许会在某一天取代硬盘驱动。IBM磁电子学主管斯图尔特·帕金相信,他们正在发现合成材料的路途上,这些材料有望在室温中成为超导体。

显然,科学家们仍然需要以昂内斯当年热情和勤奋,来构造一个“超导时代”。

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