发表时间： 2007-04-01 02:35:02作者：
高温超导体可用来储蓄、输送、节约能源，以高效的方式驱动交通工具。许多专家认为，高温超导材料最近的突破及应用的展开，将可望成为二十一世纪具革命性的新颖科技。
材料在接近于绝对零度的低温下所表现出零电阻的超导现象早在1911年便由莱登大学(University of Leiden)的研究者在固态汞中发现。75年后，科学家多年努力才将超导体转移温度(transition temperature)提升至23K(-250℃)。在获致多项突破性的发展后，1987年故美国总统里根曾宣誓，美国将藉由超导材料科技的突破承担起将此科技推广至新时代的责任。然而，20个年头过去了，超导磁浮列车、超效能发电机、超高速超级电脑等民生商品普及的新时代，似乎还没到来。问题在哪儿呢？且让我们回顾一下超导材料的发展概况。
当材料变成超导态时，会呈现出无电阻的特性。其与传统的导体不同之处在于，它传导电流时不会造成任何的电力损失。1911年时的初期，超导现象仅能在温度接近于绝对零度的低温下产生。理论上，绝对零度是指热能为零的温度，即摄氏零下273度。此后，全球科学家均致力发展转换温度更趋近于室温的材料，称为高温超导材料(high temperature superconductors, HTSC)。
75 年后，转移温度已可提升至 23K(零下250℃)，但其应用仅限于须以液态氦来冷却的医学或科学研究用仪器上。如磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)扫瞄器或高能物理的粒子碰撞研究等。距离民生的应用，如取代现有的输配电网络，仍遥不可及。因为环境之温度无法达到如此的低温。
1986年IBM获得诺贝尔奖的科学家Bednorz及Mueller两位博士所发现的钙碳矿结构铜氧化物又将超导转移温度(transition temperature)提升至35K(-238℃)。
其后华裔朱经武博士又在休士顿大学发展出操作温度为93K (-182℃)的钡钇氧化物超导材料。这是超导材料史上的重大突破，因其转移温度高于液态氮的77K(-196℃)低温，意味着已工业化使用的液态氮可提供该新型材导产生超导态的环境。
据《BBC》之报导，实用上发现此类新超导技术要能达到商业化的程度仍是非常地艰钜。身为台湾中研院院士、香港科技大学校长的朱经武博士说：“这种材料并非我们原本所想像的那么简单。”
该种材料确切的结构要求特定的元素形层一超薄的膜层，再层层交互地堆叠起来。这种需精密控制的结构意味着制作成本的高昂及制造的难度。“在原子层面来看，你必须很精密的将它们排列起来，才能够产生超电流(supercurrent)的流通。”朱教授解释道。
再加上矿物结构的材料多为陶瓷类，具有脆性而难以像具柔性的电线及底片一般弯折，故可想见是难以用于一般的使用条件下。虽然如此，近期许多欧美、日本、南韩与中国的公司纷纷绞尽脑汁地想制出可商业应用的新式超导材料。
据本网档案资料显示，2001年初美国贝尔实验室的科学家已经成功研制出世界上第一种塑胶超导材料。这意味着将来将有可能用柔韧的塑胶材料制成超高量的电流传输材料，虽然当时该材料仍需在绝对温度4K的低温才能显现超导。
同年三月间东京青山学院大学的秋光纯教授所领导的一个研究小组在英国“自然”期刊中发表报告说，他们将两种普通的化学物质--镁与硼--加以混合，在一个加压氩氛围的炉内以高温焙烤。结果发现，如此形成的化合物二硼化镁，在绝对温度39K(-234℃)的低温下有超导特性。专家表示，二硼化镁是一种金属间化合物，只有两种元素组合，体系简单，接近于合金，和传统超导体比，易于加工，电导率高，用起来方便，应用前景较好。
这项发现亦令研究人员非常兴奋。这个温度比从前利用稳定而大量的化合物获得的超导温度还高出绝对温度十六度，可望对廉价材料展开崭新的探索领域。
2002年间，旅美中国物理学家郗小星博士和其同事在美国宾州大学首次成功制成大电流二硼化镁超导薄膜材料。并在该年9月3日出版的《自然材料》杂志上发表他们的新发明。该期刊称，“这是二硼化镁超导材料发展过程中的决定性一步。”
郗教授介绍说，他们是采用新的混合型物理化学气相沉积法制出单晶外延薄膜，这种方法制造的超导材料比较适合造器件，且工艺简单。他们用二硼化镁制成的高质量薄膜材料不仅拥有平坦的表面，而且薄膜可载送1000万安培／平方厘米的大电流。其具有潜力的应用是制成如微波器件。郗教授说：“我们开发的新工艺将会很快用于新型微波器件制造，应该说离工业化阶段不远了。”
在脆性陶瓷超导材料的应用上，美国超导体公司(American Superconductor)已发展了一种“能弯曲不能弯折材料”的技术。
他们采用了类似于将二氧化矽抽成极细的丝状而作成可挠曲的光纤丝的原理，把高达85条极细的高温超导陶瓷材料镶埋于4.4厘米的金属材料所制成的薄带基板上。如此，在金属材料的韧性保护下，脆质的超导材料遂有了较佳的可挠曲性。该公司亦生产镀膜于合金材料上超导材料厚度仅达一微米的电线，其电流输送量为同等铜质电线的150倍。
上述两种产品皆靠液态氮的冷却来运作。美国俄亥俄州哥伦布市已装设了短程试验性的超导电线回路。更长如半英哩的电缆计划不久会在纽约长岛上进行。但短期而言，此种系统需搭配待建的液态氮输送网络之基础建设，故仍有瓶颈存在。
美国超导体亦已将其高温超导电线推广至先进设施之应用。如日本的中日铁(Central Japan Railways)采用其所制成的线圈于磁浮列车已创下了世界纪录。商用邮轮大多采用电力马达，但通常极为庞大而笨重。若采用超导材料制成马达，不仅可缩小其尺寸，并可大幅提升效率。以同为36.5百万瓦的输出功率而论，传统马达重达300吨；而超导马达则减轻至75吨。该公司已于2003年制作5百万瓦功率230 rpm的超导马达给美国海军用于驱遂舰。
新时代的来临
目前科学界仍不断再寻求超导材料使用温度之提高。
例如，以汞为基质的新式超导化合物其转移温度已高达134K (-139℃)。朱教授说：“当我们再施以压力，它的转移温可在提高至164K (-109℃)，这已是目前的最高纪录。当然，从应用的观点来看，它还是没有希望。”
虽然高温超导材料发现至今已逾20个年头，但陶瓷材料呈现的超导现象背后的机制，仍是各家众说纷云。但纽恩斯博士(Dr Newns)与其IBM同事崔章琪博士(Chang-Chyi Tsuei,亦为台湾中央研究院院士)在今年2月份于《自然物理(Nature Physics)》期刊所发表的理论尝试解释此类材料深奥的超导现象。
崔博士乐观地说：“在理论基础上，我们没有看到任何限制。”纽博士亦补充说：“如果未来有人发现了符合我们的理论并可以在室温下操作的超导体，我们一点也不会感到意外。”
这种乐观的展望是自1980年代后，似乎第一次得到了回报。当第一个商业应用的高温超导产品从工厂制成后，似乎为此科技注入了强心剂，各界研究的步伐有渐强之趋势。
美国超导体创办人兼首席执行官尤瑞克(Greg Yurek)表示，目前的迹象显示里根总统对于新时代的承诺终于要来临了。
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图为American Superconductor公司所设计的超导体交流马达。与传统马达不同之处仅在于其线圈不采用铜导体而采用高温超导材料，须以液态氮来冷却。此种马达体积为一般马达的一半，重量为其三分之一。(网路图片)
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材料在接近于绝对零度的低温下所表现出零电阻的超导现象早在1911年便由莱登大学(University of Leiden)的研究者在固态汞中发现。75年后，科学家多年努力才将超导体转移温度(transition temperature)提升至23K(-250℃)。在获致多项突破性的发展后，1987年故美国总统里根曾宣誓，美国将藉由超导材料科技的突破承担起将此科技推广至新时代的责任。然而，20个年头过去了，超导磁浮列车、超效能发电机、超高速超级电脑等民生商品普及的新时代，似乎还没到来。问题在哪儿呢？且让我们回顾一下超导材料的发展概况。
当材料变成超导态时，会呈现出无电阻的特性。其与传统的导体不同之处在于，它传导电流时不会造成任何的电力损失。1911年时的初期，超导现象仅能在温度接近于绝对零度的低温下产生。理论上，绝对零度是指热能为零的温度，即摄氏零下273度。此后，全球科学家均致力发展转换温度更趋近于室温的材料，称为高温超导材料(high temperature superconductors, HTSC)。
75 年后，转移温度已可提升至 23K(零下250℃)，但其应用仅限于须以液态氦来冷却的医学或科学研究用仪器上。如磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)扫瞄器或高能物理的粒子碰撞研究等。距离民生的应用，如取代现有的输配电网络，仍遥不可及。因为环境之温度无法达到如此的低温。
1986年IBM获得诺贝尔奖的科学家Bednorz及Mueller两位博士所发现的钙碳矿结构铜氧化物又将超导转移温度(transition temperature)提升至35K(-238℃)。
其后华裔朱经武博士又在休士顿大学发展出操作温度为93K (-182℃)的钡钇氧化物超导材料。这是超导材料史上的重大突破，因其转移温度高于液态氮的77K(-196℃)低温，意味着已工业化使用的液态氮可提供该新型材导产生超导态的环境。
据《BBC》之报导，实用上发现此类新超导技术要能达到商业化的程度仍是非常地艰钜。身为台湾中研院院士、香港科技大学校长的朱经武博士说：“这种材料并非我们原本所想像的那么简单。”
该种材料确切的结构要求特定的元素形层一超薄的膜层，再层层交互地堆叠起来。这种需精密控制的结构意味着制作成本的高昂及制造的难度。“在原子层面来看，你必须很精密的将它们排列起来，才能够产生超电流(supercurrent)的流通。”朱教授解释道。
再加上矿物结构的材料多为陶瓷类，具有脆性而难以像具柔性的电线及底片一般弯折，故可想见是难以用于一般的使用条件下。虽然如此，近期许多欧美、日本、南韩与中国的公司纷纷绞尽脑汁地想制出可商业应用的新式超导材料。
据本网档案资料显示，2001年初美国贝尔实验室的科学家已经成功研制出世界上第一种塑胶超导材料。这意味着将来将有可能用柔韧的塑胶材料制成超高量的电流传输材料，虽然当时该材料仍需在绝对温度4K的低温才能显现超导。
同年三月间东京青山学院大学的秋光纯教授所领导的一个研究小组在英国“自然”期刊中发表报告说，他们将两种普通的化学物质--镁与硼--加以混合，在一个加压氩氛围的炉内以高温焙烤。结果发现，如此形成的化合物二硼化镁，在绝对温度39K(-234℃)的低温下有超导特性。专家表示，二硼化镁是一种金属间化合物，只有两种元素组合，体系简单，接近于合金，和传统超导体比，易于加工，电导率高，用起来方便，应用前景较好。
这项发现亦令研究人员非常兴奋。这个温度比从前利用稳定而大量的化合物获得的超导温度还高出绝对温度十六度，可望对廉价材料展开崭新的探索领域。
2002年间，旅美中国物理学家郗小星博士和其同事在美国宾州大学首次成功制成大电流二硼化镁超导薄膜材料。并在该年9月3日出版的《自然材料》杂志上发表他们的新发明。该期刊称，“这是二硼化镁超导材料发展过程中的决定性一步。”
郗教授介绍说，他们是采用新的混合型物理化学气相沉积法制出单晶外延薄膜，这种方法制造的超导材料比较适合造器件，且工艺简单。他们用二硼化镁制成的高质量薄膜材料不仅拥有平坦的表面，而且薄膜可载送1000万安培／平方厘米的大电流。其具有潜力的应用是制成如微波器件。郗教授说：“我们开发的新工艺将会很快用于新型微波器件制造，应该说离工业化阶段不远了。”
在脆性陶瓷超导材料的应用上，美国超导体公司(American Superconductor)已发展了一种“能弯曲不能弯折材料”的技术。
他们采用了类似于将二氧化矽抽成极细的丝状而作成可挠曲的光纤丝的原理，把高达85条极细的高温超导陶瓷材料镶埋于4.4厘米的金属材料所制成的薄带基板上。如此，在金属材料的韧性保护下，脆质的超导材料遂有了较佳的可挠曲性。该公司亦生产镀膜于合金材料上超导材料厚度仅达一微米的电线，其电流输送量为同等铜质电线的150倍。
上述两种产品皆靠液态氮的冷却来运作。美国俄亥俄州哥伦布市已装设了短程试验性的超导电线回路。更长如半英哩的电缆计划不久会在纽约长岛上进行。但短期而言，此种系统需搭配待建的液态氮输送网络之基础建设，故仍有瓶颈存在。
美国超导体亦已将其高温超导电线推广至先进设施之应用。如日本的中日铁(Central Japan Railways)采用其所制成的线圈于磁浮列车已创下了世界纪录。商用邮轮大多采用电力马达，但通常极为庞大而笨重。若采用超导材料制成马达，不仅可缩小其尺寸，并可大幅提升效率。以同为36.5百万瓦的输出功率而论，传统马达重达300吨；而超导马达则减轻至75吨。该公司已于2003年制作5百万瓦功率230 rpm的超导马达给美国海军用于驱遂舰。
新时代的来临
目前科学界仍不断再寻求超导材料使用温度之提高。
例如，以汞为基质的新式超导化合物其转移温度已高达134K (-139℃)。朱教授说：“当我们再施以压力，它的转移温可在提高至164K (-109℃)，这已是目前的最高纪录。当然，从应用的观点来看，它还是没有希望。”
虽然高温超导材料发现至今已逾20个年头，但陶瓷材料呈现的超导现象背后的机制，仍是各家众说纷云。但纽恩斯博士(Dr Newns)与其IBM同事崔章琪博士(Chang-Chyi Tsuei,亦为台湾中央研究院院士)在今年2月份于《自然物理(Nature Physics)》期刊所发表的理论尝试解释此类材料深奥的超导现象。
崔博士乐观地说：“在理论基础上，我们没有看到任何限制。”纽博士亦补充说：“如果未来有人发现了符合我们的理论并可以在室温下操作的超导体，我们一点也不会感到意外。”
这种乐观的展望是自1980年代后，似乎第一次得到了回报。当第一个商业应用的高温超导产品从工厂制成后，似乎为此科技注入了强心剂，各界研究的步伐有渐强之趋势。
美国超导体创办人兼首席执行官尤瑞克(Greg Yurek)表示，目前的迹象显示里根总统对于新时代的承诺终于要来临了。
