有人說，人類文明史可以用材料來劃分，石器時代、青銅時代、鐵器時代……

那么，下一個可以用來劃分時代的材料，就是超導。

“超導百年不衰的原因之一，就是為發(fā)現(xiàn)室溫超導，它將給人們生活帶來的變化是天翻地覆的。

到那個時候，我們可能生活在《阿凡達》電影中，居住在懸浮的超導屋里，出門坐上無軌無輪的超導車，甚至手機、手提電腦充一次電就能用上好幾個月。

國家自然科學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)；德國的軍事演習首次出現(xiàn)飛機；法國受邀占領摩洛哥首都，引發(fā)德國派遣戰(zhàn)艦抗議；俄國要求擴大在華權益；日本新聞檢閱制度強化，天皇批準出兵干涉辛亥革命……”

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。這時候，世界其他的地方也不平靜，以上就是學者張鳴在《辛亥：搖晃的中國》一書中列出的其他幾個國家當時發(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低溫物理實驗室中，卡末林－昂內(nèi)斯（Kamerlingh-Onnes）發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象顯得并不是那么轟動。

但一個世紀之后，人們發(fā)現(xiàn)，超導對人類社會的影響并不亞于當時發(fā)生的那些國際大事，它給科研領域和日常生活帶來了深遠的影響。

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)沖進了現(xiàn)實生活。

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，當高速超導磁懸浮列車在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)達到了目的地。

然而，超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)并不能算是妙手偶得的意外之喜，這是一個大批科學家不斷跟蹤研究，從理論到實踐，又從實踐到理論，不斷改善實驗手段，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域的研究。

在中國，連續(xù)三年空缺的國家自然科學一等獎，今年也有了歸屬——中國科學院物理所和中國科技大學的“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”，問鼎國家自然科學一等獎。

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

什么是“超導”？

2014年1月10日，中科大陳仙輝教授與中國科學院物理所的合作者，由于在鐵基高溫超導研究領域做出的突出貢獻，被授予國家自然科學一等獎。

究竟什么是“超導”？

如果你看過電影《阿凡達》，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，都與超導現(xiàn)象有關。

因為存在“電阻”，所以電荷經(jīng)過導線時會有些能量留下來，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。這個現(xiàn)象有時會帶來很大麻煩——比如，電動機要發(fā)熱，輸電線要發(fā)熱，電視機、筆記本電腦、冰箱等，使用的時候都要發(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，科學家們發(fā)現(xiàn)了一列“免費地鐵”。

1911年，人類第一次觀察到了超導現(xiàn)象。昂內(nèi)斯教授在萊頓大學的實驗室擁有當時世界上最大也最先進的制造液氫、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)，當溫度降低到-269℃左右時，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)斯教授因為這個發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾物理學獎。

當然，超導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”。

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

當在一個超導體正下方放置一個磁體，并使磁感線垂直通過超導體的時候，超導體將獲得垂直的上浮力。當這個力的大小剛好等于超導體的重力的時候，超導體就可以懸浮在空中。

《阿凡達》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)實世界，超導溫度提高很難。從1911年至1986年，超導溫度由4.2K-269℃左右提高到23.22K，75年時間才提高了不到20K（注：K開爾文溫標，起點為絕對零度）。

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

此后，包括中國科學家在內(nèi)的研究團隊將銅氧化物超導體的臨界轉(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），使其成為高溫超導體。

現(xiàn)在，中國科學家爭分奪秒的研究再度引領了國際超導研究的熱潮，人類進入“超導時代”也許就在不遠的未來。

超導新世紀

在超導現(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)物理實驗室里隨手可得，超導現(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體，但它仍然是凝聚態(tài)物理學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特性。但科學家們的探索仍未停止。

而且，超導正越來越頻繁地進入人們的生活。

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

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

在斯坦福大學物理學家張首晟的眼中，材料對人類社會的歷史有著非同尋常的意義。

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

他最近帶領一組研究人員設計出了一種錫合金材料，在室溫下已經(jīng)具有近似超導的性質(zhì)。

長期以來，銅氧化物高溫超導體一直占據(jù)超導研究界重要位置。但中國科學院物理研究所和中國科學技術大學研究團隊向著尋找新一類高溫超導體進發(fā)，成功確認了鐵基高溫超導體這一非常規(guī)超導體新類型。

此后，中國的鐵基超導研究成果勢如井噴。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以上的鐵基超導體，并創(chuàng)造55K（零下218.15攝氏度）的世界紀錄。

更有意思的是，日本國家材料實驗室進行的一個實驗表明：一些鐵化合物暴露在氧氣中可能會轉(zhuǎn)變成超導材料。

幾個科學家突發(fā)奇想，試驗這種化合物與酒精的反應，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個小時。

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

科學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)奇想要做這個聽起來有點奇怪的試驗。

也許，正如美國《自然》雜志紀念超導研究的文章標題：《一百歲之際，仍然誘惑但是難以預料》。

產(chǎn)業(yè)應用躍躍欲試

信息通訊、生物醫(yī)學、能源存儲、交通運輸乃至航空航天……材料科學和工程學的進展使超導進一步應用在日常生活中，其產(chǎn)業(yè)應用前景受到越來越廣泛的關注。

目前，遠程輸電算得上是超導應用領域最耀眼的“一顆星”。

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

而來自斯康辛大學材料科學與工程學的科學家團隊，已經(jīng)開發(fā)出一種獨特的多層超導體，它能夠傳輸大量電流。這種超導材料能夠大面積攜帶連續(xù)的強電流。

在醫(yī)療領域，超導技術則被應用于核磁共振成像。

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線圈技術，使得超導設備實現(xiàn)小型輕量化及節(jié)能化，該技術便可以被用于重離子治癌設備及MRI（磁共振成像）等醫(yī)療設備等。

另外，懸浮運行的交通工具也是一大備受關注的應用領域。

數(shù)十年前，日本便將目光瞄準“超導磁懸浮”。這種新技術顛覆了傳統(tǒng)的鐵軌與鐵路之間的概念聯(lián)系。在超導磁懸浮的技術框架下，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，再通過馬達的原理實現(xiàn)移動。

“我們計劃在2017年，開通從東京到名古屋的超導磁懸浮列車，2045年實現(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)運營后，該公司還準備在超導磁懸浮特有的驅(qū)動技術基礎上，組合使用現(xiàn)行新干線的運行系統(tǒng)、安全技術以及地震檢測技術等。

去年7月，日本鐵道綜合技術研究所還公開進行了全球首例利用超導電纜的電氣列車行駛實驗。

一些新生的應用領域也在冒頭。

美國德州大學達拉斯分校教授雷˙鮑曼領導的研究小組，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的超導臨界溫度。而當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

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

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

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

美國亞利桑那州電力機構(gòu)的執(zhí)行董事約瑟夫-穆赫蘭道等人曾在一份報告中預計，到2025年，美國高溫超導材料相關銷售將達18億美元。而每年能節(jié)省下來的能源將達到1萬Gwh（百萬度），相應的碳排放量到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)設備及基礎設施老化等問題，包括美國、歐盟、日本及韓國在內(nèi)的多個經(jīng)濟體，相繼出臺大規(guī)模的政策和資金扶持，研發(fā)和生產(chǎn)超導應用產(chǎn)品。

奧巴馬政府還在一份名為“美國電網(wǎng)2030規(guī)劃”的計劃案中提出第二個百年設想：以超導電力技術為核心建設骨干電網(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：超導材料若要實現(xiàn)電阻為零的超導狀態(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，被視為未來的重要研究命題之一。

2012年，萊比錫大學的研究人員報告說，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)生超導作用。相關研究被發(fā)表在期刊《先進材料》上，備受矚目。

現(xiàn)在，科技巨擘IBM正不斷探索，期望室溫超導技術或許會在某一天取代硬盤驅(qū)動。IBM磁電子學主管斯圖爾特-;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體。

顯然，科學家們?nèi)匀恍枰园簝?nèi)斯當年熱情和勤奮，來構(gòu)造一個“超導時代”。