很冷很冷的超導(dǎo)

文/圖 大可

很冷很冷的超導(dǎo)

文/圖 大可

今年1月9日，在北京人民大會(huì)堂舉行了2016年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)，宣布五項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)的獲獎(jiǎng)名單。五項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)是：

國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)；

國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)；

國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)；

國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)；

國(guó)際科技合作獎(jiǎng)。

其中國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，每年評(píng)審一次，每次授予不超過兩名科技成就卓著、社會(huì)貢獻(xiàn)巨大的個(gè)人。

這次的獲獎(jiǎng)人是趙忠賢和屠呦呦。

獲獎(jiǎng)有多難

排在第一位的國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，是五個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)中最高等級(jí)的獎(jiǎng)項(xiàng)，所以是很難獲得的。很多時(shí)候居然會(huì)空缺，比如2004年、2015年；有的一年只評(píng)選出一位。

屠呦呦獲得了2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)的青蒿素治療瘧疾也很好懂，所以大家對(duì)屠奶奶比較熟悉。

趙忠賢在獲得國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)之前，還獲得過國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)的一等獎(jiǎng)。

國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)，是中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，雖然排在國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)后面，一等獎(jiǎng)也不是那么好獲得的，曾經(jīng)獲獎(jiǎng)的有數(shù)學(xué)家華羅庚，數(shù)學(xué)家吳文俊和空氣動(dòng)力學(xué)家、“中國(guó)航天之父”錢學(xué)森，研究哥德巴赫猜想的陳景潤(rùn)，中國(guó)地質(zhì)力學(xué)的創(chuàng)立者李四光等等，而且有十多次是空缺的。

此外，趙忠賢曾獲得馬蒂亞斯獎(jiǎng)，對(duì)這個(gè)獎(jiǎng)，大家覺得不如諾貝爾獎(jiǎng)那么耳熟能詳——這個(gè)獎(jiǎng)只跟超導(dǎo)有關(guān)呀！而趙爺爺所研究的超導(dǎo)，似乎很難懂呢！

絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體

有一位書法家，是用嘴銜著毛筆寫字的，因?yàn)樗麅芍桓觳仓獾南路揭呀?jīng)齊齊斷掉。

原來，他小時(shí)候和幾個(gè)同學(xué)一起放風(fēng)箏，風(fēng)箏突然掛到了一條高壓電線上，他爬上電線桿，就在伸手去拿風(fēng)箏的一瞬間，只覺得雙臂發(fā)麻，隨即兩只胳臂冒出一股焦糊味的青煙，然后就不省人事了。在醫(yī)院醒來后，他震驚地發(fā)現(xiàn)：兩只手臂沒有了！

好在他沒有消沉下去，不僅刻苦練習(xí)用嘴寫字，還到很多學(xué)校用自己的親身經(jīng)歷，告誡同學(xué)們遠(yuǎn)離“電老虎”。

下面是書法家說的一些用電安全知識(shí)（除了下面提到的，他還說了好幾點(diǎn)，只不過與我們的主題關(guān)系不大，你可以自己去查找這方面的知識(shí)）：

看到裸露的電線或是電器開關(guān)冒出火花時(shí)，不可用手碰觸。

看到有人觸電，要立即關(guān)閉電源總開關(guān)。如果沒有大人幫忙，趕快尋找干燥的木板或木棍等絕緣體，將觸電的人與電源隔離，不能直接用手把人拉開，以免自己也觸電。

注意到他說的一個(gè)詞匯嗎？“絕緣體”——以免你觸電的物體，也就是說，是不會(huì)導(dǎo)電的物體。

除了干燥的木板或木棍外，絕緣體還有干燥的紙、橡膠、玻璃、陶瓷等。

注意他強(qiáng)調(diào)的以免觸電的常識(shí)：不可用手碰觸裸露的電線、冒出火花的電器開關(guān)，不能直接用手拉觸電的人。為什么？因?yàn)槿耸请姷摹皩?dǎo)體”。

金屬、石墨、酸、堿、鹽水溶液等也是導(dǎo)體。所以，潮濕的手或身體其他部位，去碰觸沒有異常的插頭、電器開關(guān)，也很危險(xiǎn)！因?yàn)殡m然“純”水（注意，不是我們喝的“純凈水”）不導(dǎo)電，但手或身體其他部位有汗液等“雜質(zhì)”，沾到水后，這樣的水就有了導(dǎo)電性能。包括我們喝的“純凈水”，里面也有雜質(zhì)，雖然它們對(duì)身體無礙。

你知道為什么要強(qiáng)調(diào)“干燥”了吧？因?yàn)橐坏┱戳怂?，它們的“性格”就?huì)起變化！

請(qǐng)記?。喝耸请姷摹皩?dǎo)體”！你即使把自己“曬干”了，還是導(dǎo)體！導(dǎo)臨界溫度。

水——導(dǎo)體

當(dāng)然，電阻為零的材料不是人們一下子就發(fā)覺的。

人發(fā)現(xiàn)了電。因?yàn)殡?，我們有了電燈、空調(diào)、計(jì)算機(jī)；也被電欺負(fù)得喪失過無數(shù)生命、損傷過無數(shù)肢體，就如那位書法家。

不過，人不會(huì)被嚇退，而是千方百計(jì)要了解它、掌握它。于是，發(fā)現(xiàn)了絕緣體，知道了哪些是導(dǎo)體、半導(dǎo)體……

越是了解，越希望它能幫助人實(shí)現(xiàn)更多的夢(mèng)想，比如，電流如果能不受阻礙地跑，那該多好！

半導(dǎo)體收音機(jī)聽到過吧，那么，什么是半導(dǎo)體？

當(dāng)電流威脅我們的時(shí)候，我們需要絕緣體來阻礙電流通過；當(dāng)我們需要電流通過的時(shí)候，我們希望電阻越小越好。

電阻的意思，就是阻礙電流。

半導(dǎo)體就是電阻比導(dǎo)體大得多，但又比絕緣體小得多的材料。

有時(shí)我們不僅需要電流跑，還要跑得很歡快——你可以撥開“超導(dǎo)”的神秘面紗了：超導(dǎo)就是超級(jí)導(dǎo)電，它的電阻為零。

某些材料在一定溫度條件下，電阻會(huì)變?yōu)榱?，這一溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，也叫超

高溫與低溫的魔力

在說到導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料的時(shí)候，往往會(huì)加上“常溫”這個(gè)定義。

我們很熟悉攝氏度，符號(hào)是“°C”，比如37攝氏度，寫成37℃，零下5攝氏度，寫成-5℃。還有一種叫華氏度，符號(hào)是“°F”，零華氏度約等于-17.78℃。

1848年，英國(guó)科學(xué)家開爾文建立了絕對(duì)溫標(biāo)，它的單位就叫開爾文，符號(hào)是“K”。它的零度相當(dāng)于-273.15℃，被稱為絕對(duì)零度。

常溫也叫一般溫度或者室溫,一般是指25℃、298.15K。

但是，常溫又不是“死規(guī)定”，比如，我國(guó)很多工程是按20℃設(shè)計(jì)的，因?yàn)檫@是一般春秋天的溫度。

許多材料的“性格”，除了隨干燥、潮濕會(huì)起變化外，在不同溫度里也會(huì)有變化。比如，燒紅的玻璃也會(huì)導(dǎo)電！

我們用手摸摸，嗯，這個(gè)材料很燙、那個(gè)材料冰涼，為什么會(huì)這樣？原來，是構(gòu)成材料的最小單位——分子或原子的運(yùn)動(dòng)速度在“變魔術(shù)”??！當(dāng)我們感到一個(gè)物體比較熱的時(shí)候,就意味著它的分子或原子在快速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)我們感到一個(gè)物體比較冷的時(shí)候,則意味著分子或原子運(yùn)動(dòng)速度較慢。

分子、原子都是構(gòu)成物質(zhì)的基本細(xì)小的顆粒，也叫基本微粒。比如人類生存離不開的氧氣、水，就是無數(shù)眼睛也看不見的氧分子、水分子構(gòu)成的；鐵、碳是鐵原子、碳原子構(gòu)成的。

速度變化，還能引起物質(zhì)內(nèi)部的變化。比如，運(yùn)動(dòng)加快，互相“撞來撞去”的次數(shù)增多，阻礙自然就強(qiáng)了；但同時(shí)，也使一種叫“自由電子”的家伙增加，而自由電子越多，更容易導(dǎo)電，也就是阻礙減小。這時(shí)就要看哪方更有“氣勢(shì)”，有“氣勢(shì)”的一方?jīng)Q定了絕緣或?qū)w的能力。

超導(dǎo)的用處

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在4.2K，也就是-268.95℃時(shí)，有的材料電阻完全消失，哇，超導(dǎo)啊！

而且，材料不僅有了超導(dǎo)性質(zhì)，還有了抗磁性！

科學(xué)家做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)小磁鐵，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)，小磁鐵離開錫盤，慢慢地飄起，懸浮不動(dòng)。

你想到了什么？對(duì)，磁懸浮列車！從上海浦東龍陽(yáng)路站到浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)就可以乘坐磁懸浮列車。

因?yàn)槌瑢?dǎo)體抗磁，如果有一個(gè)磁場(chǎng)（如錫盤那樣），在電流毫無障礙地通過超導(dǎo)體的同時(shí)，超導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生排斥的力量，這個(gè)力量就使得列車懸浮起來。

也許你還聽到過低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)。

研究這些超導(dǎo)材料是為了發(fā)掘超導(dǎo)材料更多的特性，來為這個(gè)資源越用越少的地球服務(wù)。

雖然都是超導(dǎo)，高溫與低溫下表現(xiàn)出來的性能是不一樣的，要“馴服”它們?yōu)槿祟惙?wù)，需解決很多復(fù)雜的問題。比如，一開始，鐵在超導(dǎo)上表現(xiàn)不好，但是趙爺爺創(chuàng)造了大塊鐵基超導(dǎo)體55K最高臨界溫度紀(jì)錄，讓它在超導(dǎo)世界靚麗登場(chǎng)。

隨著不同臨界溫度的超導(dǎo)材料被研究出來，除了超導(dǎo)列車，可能還會(huì)有超導(dǎo)船、利用超導(dǎo)材料輸電等等來為人類服務(wù)呢！