迎接高溫超導的新世代

2007-04-01 02:35 高溫超導體可用來儲蓄、輸送、節約能源，以高效的方式驅動交通工具。許多專家認為，高溫超導材料最近的突破及應用的展開，將可望成為二十一世紀具革命性的新穎科技。

圖為American Superconductor公司所設計的超導體交流馬達。與傳統馬達不同之處僅在於其線圈不採用銅導體而採用高溫超導材料，須以液態氮來冷卻。此種馬達體積為一般馬達的一半，重量為其三分之一。(網路圖片)

材料在接近於絕對零度的低溫下所表現出零電阻的超導現象早在1911年便由萊登大學(University of Leiden)的研究者在固態汞中發現。75年後，科學家多年努力才將超導體轉移溫度(transition temperature)提升至23K(-250℃)。在獲致多項突破性的發展後，1987年故美國總統里根曾宣誓，美國將藉由超導材料科技的突破承擔起將此科技推廣至新時代的責任。然而，20個年頭過去了，超導磁浮列車、超效能發電機、超高速超級電腦等民生商品普及的新時代，似乎還沒到來。問題在哪兒呢？且讓我們回顧一下超導材料的發展概況。

當材料變成超導態時，會呈現出無電阻的特性。其與傳統的導體不同之處在於，它傳導電流時不會造成任何的電力損失。1911年時的初期，超導現象僅能在溫度接近於絕對零度的低溫下產生。理論上，絕對零度是指熱能為零的溫度，即攝氏零下273度。此後，全球科學家均致力發輾轉換溫度更趨近於室溫的材料，稱為高溫超導材料(high temperature superconductors, HTSC)。

75 年後，轉移溫度已可提升至 23K(零下250℃)，但其應用僅限於須以液態氦來冷卻的醫學或科學研究用儀器上。如磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)掃瞄器或高能物理的粒子碰撞研究等。距離民生的應用，如取代現有的輸配電網路，仍遙不可及。因為環境之溫度無法達到如此的低溫。

1986年IBM獲得諾貝爾獎的科學家Bednorz及Mueller兩位博士所發現的鈣碳礦結構銅氧化物又將超導轉移溫度(transition temperature)提升至35K(-238℃)。

其後華裔朱經武博士又在休士頓大學發展出操作溫度為93K (-182℃)的鋇釔氧化物超導材料。這是超導材料史上的重大突破，因其轉移溫度高於液態氮的77K(-196℃)低溫，意味著已工業化使用的液態氮可提供該新型材導產生超導態的環境。

據《BBC》之報導，實用上發現此類新超導技術要能達到商業化的程度仍是非常地艱鉅。身為臺灣中研院院士、香港科技大學校長的朱經武博士說：「這種材料並非我們原本所想像的那麼簡單。」

該種材料確切的結構要求特定的元素形層一超薄的膜層，再層層交互地堆疊起來。這種需精密控制的結構意味著製作成本的高昂及製造的難度。「在原子層面來看，你必須很精密的將它們排列起來，才能夠產生超電流(supercurrent)的流通。」朱教授解釋道。

再加上礦物結構的材料多為陶瓷類，具有脆性而難以像具柔性的電線及底片一般彎折，故可想見是難以用於一般的使用條件下。雖然如此，近期許多歐美、日本、南韓與中國的公司紛紛絞盡腦汁地想製出可商業應用的新式超導材料。

據本網檔案資料顯示，2001年初美國貝爾實驗室的科學家已經成功研製出世界上第一種塑膠超導材料。這意味著將來將有可能用柔韌的塑膠材料製成超高量的電流傳輸材料，雖然當時該材料仍需在絕對溫度4K的低溫才能顯現超導。

同年三月間東京青山學院大學的秋光純教授所領導的一個研究小組在英國「自然」期刊中發表報告說，他們將兩種普通的化學物質--鎂與硼--加以混合，在一個加壓氬氛圍的爐內以高溫焙烤。結果發現，如此形成的化合物二硼化鎂，在絕對溫度39K(-234℃)的低溫下有超導特性。專家表示，二硼化鎂是一種金屬間化合物，只有兩種元素組合，體系簡單，接近於合金，和傳統超導體比，易於加工，電導率高，用起來方便，應用前景較好。

這項發現亦令研究人員非常興奮。這個溫度比從前利用穩定而大量的化合物獲得的超導溫度還高出絕對溫度十六度，可望對廉價材料展開嶄新的探索領域。

2002年間，旅美中國物理學家郗小星博士和其同事在美國賓州大學首次成功製成大電流二硼化鎂超導薄膜材料。並在該年9月3日出版的《自然材料》雜誌上發表他們的新發明。該期刊稱，「這是二硼化鎂超導材料發展過程中的決定性一步。」

郗教授介紹說，他們是採用新的混合型物理化學氣相沉積法製出單晶外延薄膜，這種方法製造的超導材料比較適合造器件，且工藝簡單。他們用二硼化鎂製成的高質量薄膜材料不僅擁有平坦的表面，而且薄膜可載送1000萬安培／平方厘米的大電流。其具有潛力的應用是製成如微波器件。郗教授說：「我們開發的新工藝將會很快用於新型微波器件製造，應該說離工業化階段不遠了。」

在脆性陶瓷超導材料的應用上，美國超導體公司(American Superconductor)已發展了一種「能彎曲不能彎折材料」的技術。

他們採用了類似於將二氧化矽抽成極細的絲狀而作成可撓曲的光纖絲的原理，把高達85條極細的高溫超導陶瓷材料鑲埋於4.4厘米的金屬材料所製成的薄帶基板上。如此，在金屬材料的韌性保護下，脆質的超導材料遂有了較佳的可撓曲性。該公司亦生產鍍膜於合金材料上超導材料厚度僅達一微米的電線，其電流輸送量為同等銅質電線的150倍。

上述兩種產品皆靠液態氮的冷卻來運作。美國俄亥俄州哥倫布市已裝設了短程試驗性的超導電線回路。更長如半英哩的電纜計畫不久會在紐約長島上進行。但短期而言，此種系統需搭配待建的液態氮輸送網路之基礎建設，故仍有瓶頸存在。

美國超導體亦已將其高溫超導電線推廣至先進設施之應用。如日本的中日鐵(Central Japan Railways)採用其所製成的線圈於磁浮列車已創下了世界記錄。商用郵輪大多採用電力馬達，但通常極為龐大而笨重。若採用超導材料製成馬達，不僅可縮小其尺寸，並可大幅提升效率。以同為36.5百萬瓦的輸出功率而論，傳統馬達重達300噸；而超導馬達則減輕至75噸。該公司已於2003年製作5百萬瓦功率230 rpm的超導馬達給美國海軍用於驅遂艦。

新時代的來臨

目前科學界仍不斷再尋求超導材料使用溫度之提高。
例如，以汞為基質的新式超導化合物其轉移溫度已高達134K (-139℃)。朱教授說：「當我們再施以壓力，它的轉移溫可在提高至164K (-109℃)，這已是目前的最高記錄。當然，從應用的觀點來看，它還是沒有希望。」

雖然高溫超導材料發現至今已逾20個年頭，但陶瓷材料呈現的超導現象背後的機制，仍是各家眾說紛雲。但紐恩斯博士(Dr Newns)與其IBM同事崔章琪博士(Chang-Chyi Tsuei,亦為臺灣中央研究院院士)在今年2月份於《自然物理(Nature Physics)》期刊所發表的理論嘗試解釋此類材料深奧的超導現象。

崔博士樂觀地說：「在理論基礎上，我們沒有看到任何限制。」紐博士亦補充說：「如果未來有人發現了符合我們的理論並可以在室溫下操作的超導體，我們一點也不會感到意外。」

這種樂觀的展望是自1980年代後，似乎第一次得到了回報。當第一個商業應用的高溫超導產品從工廠製成後，似乎為此科技注入了強心劑，各界研究的步伐有漸強之趨勢。

美國超導體創辦人兼首席執行官尤瑞克(Greg Yurek)表示，目前的跡象顯示里根總統對於新時代的承諾終於要來臨了。