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人类自古以来，就在不断地尝试了解大自然的奥妙：炽热的火焰可以灼烧食物、乌云打雷之后就会落下雨滴、天冷变温就需要穿加厚的衣物。人们在观察过这些有趣的现象之后，通过实验和推导得出了众多的理论定律来解释这些逻辑关系，最终演化出了一门新的学科，物理学。
我们今天日常生活所用到中的一切，无论是电脑、手机、网络、还是电力系统都离不开物理学的发展和应用。
在很多科幻电影中，人类也对未来的物理学展开了无尽的幻想，比如在电影《阿凡达》中，漂浮着漫天岛屿的潘多拉星球，而这一幕则是因为一种名为“U矿”的矿石资源。
这个“U矿”，便代表了在物理学界被称作“圣杯”的一种物质，也是我们本期节目的主题：室温超导材料。
1、电阻的产生大家都知道，我们生活中的所有物质材料都是由原子组成的，原子的结构是原子核和核外电子。电子围绕原子核在不停地做无规则运动，而它在运动时受到的阻碍就是电阻，基本上所有的物质都有电阻。
我们根据电阻大小，可以把他们分为导体、绝缘体、半导体。导体的电阻最小，通常是金属元素，比如金、银、铜、铝等；绝缘体的电阻最大，通常是非金属元素，比如陶瓷、塑料、橡胶；半导体介于导体和绝缘体之间，常见的有硅、锗等。
那么电阻是怎么产生的呢？
我们以常见的金、银、铜、铝这些金属导体为例，它们的内部有带正电的晶格，晶格的结构很稳定，只能在平衡位置附近做小范围的运动。但金属内部的自由电子，它们是可以随意移动的。
当我们给导体增加了电压之后，电子便会顺着高电压朝着低电压方向产生移动，在这个过程中就形成了电流。
自由电子在移动的过程中，有可能会撞在晶格上面，这样一来它们就会把一部分能量传递给晶格，晶格因此会产生震动，并在震动的过程中把能量变成热量，这就是电阻损耗能量的过程。
所以普通的一个导体，之所以会损耗能量产生电阻，就是因为电子撞了晶格，在这个过程中损失了能量，让导体的温度升高。
随后科学家在实验的时候发现，无论任何导体，如果出现了降温的情况，那么导体产生的电阻就会减小。这是因为在降温的时候，金属晶格的震动会变缓，电子与晶格的碰撞会减少，能量损失的就会少，所以电阻也会减小。
那么把温度下降到很低的情况下，电阻会有什么变化呢？
早期的物理学家并不能解决这个问题，因为没有实验条件，只能依靠猜想。
2、超导体的发现直到年，荷兰物理学家昂尼斯液化了氦气，获得了一个4.2开尔文度的温度，相当于零下摄氏度。这个温度已经非常接近绝对零度，零下27.15摄氏度。于是昂尼斯用这个温度去进行实验处理了汞，也就是水银。
为什么找这个材料呢？
因为汞在常温下是液态金属，就是一个几乎没有杂质和缺陷的完美导体。
昂尼斯在测量汞电阻的时候发现，当温度在4.2K以上，还有0.1Ω的电阻，但是温度一旦低于4.2K，电阻就几乎测不到了，就好像突然之间消失了一样。
昂尼斯继续进行了实验，他把实验得到的材料制作成了一个金属环，然后给金属环上附加了电流。如果金属环有电阻，那么电流就会有损耗；但是如果金属环没有电阻，那么电流就会一直持续下去。结果测量了几十年，金属环上的电流一直没有消失。
最后昂尼斯的团队给出的结论是，即使金属环上存在电阻，那么电阻率也只是铜的一百亿分之一，在上面通1安培的电流，那么想要让它损耗完，需要一千亿年。
而在年，昂尼斯又发现了锡和铅分别在.8K、6K的环境下，同样出现了电阻突然降为零的现象。
于是人们确认了真的存在这样一种物质状态：在温度降到了一定温度以下的时候，电阻可以无限接近于零，让导体可以超级导电、便就把这种状态命名为超导体，而这个让电阻消失的温度，就是导体的临界温度。
昂尼斯因为这一系列的研究，被授予了年的诺贝尔物理学奖。
超导体它为什么这么重要呢？我们知道常规导体在使用的过程中会产生电阻，如果是长距离传输，电力损耗甚至会达到50%，而如果可以使用几乎没有电阻的超导材料来传输电流，就可以节约很多成本和损耗，这对整个人类社会来说都是很大的变化，所以科学家一直在针对超导材料进行各种研究。
我们经常说电磁不分家，有电场的地方一定会有磁场。在19年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森菲尔德在对超导体锡单晶做磁场测量时，发现当温度降低到临界温度，在材料电阻消失的同时，磁感应线将不能通过超导体，会被全部排出，于是他们便把这种超导体的抗磁性现象称为“迈斯纳效应”。
而零电阻和完全抗磁性便成为了超导体的两个重要特性。
但是这个时候的超导体都是在温度极低的环境下被发现的，所以后来的科学家们，也在不断去尝试去寻找一些，可以在高温下使用的新超导体。
当然这里的“高温”是相对于绝对零度而言的，比如像我们之前提到的液氦，温度是4.2K，相当于零下℃，要实现这个是比较困难的。
、曾经发现的超导而后来科学家们也确实又陆陆续续发现了很多的超导体。
比如在年，发现的超导材料，铌锗合金，其临界超导温度为2.2K，零下℃，这一记录保持了近1年。
年，美国贝尔实验室研究的超导材料，临界超导温度达到40K，突破了液氢的温度壁垒。
年，台湾科学家吴茂昆、朱经武团队发现了钇钡铜氧，它的临界温度是77K，相当于零下℃，也是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮的温度壁垒。
液氮的制造成本相对液氦来说，要便宜非常多，于是实验成本一下就降下来了，这就更加引发了对新型高温超导材料的研究热潮。
年，德国普朗克研究所发现在吉帕斯卡的环境中，硫化氢在20K，零下70度时就出现了超导状态，创下了新的超导温度记录，并发表在《自然》期刊。
硫化氢我们都很熟悉，因为它有臭鸡蛋气味，在自然界中也很常见，但是要实现其他条件太苛刻了，吉帕斯卡也就是万个大气压的环境，还是非常困难的。
后来的科学家们也陆续发现了一些新的材料，都可以实现高温环境超导，但是同样是需要非常高压的环境。
比如在年，德国化学家发现十氢化镧，在压力GPa、K的环境中有超导性出现。K是零下-2℃，这也是当时已知最高温度的超导体。
所以目前的针对超导体，常用的办法就是增大压强或者降低温度。
为什么高压环境会让物质出现超导性能呢？
这是因为高压环境减小了材料体积，同时增大了电子浓度，使材料发生了结构相变。在高压下，气体可以压缩成液体，液体进一步压缩成固体，固体再被压缩就可能转化为金属。
科学界认为这种新相的形成，极大增强了超导的某种相互作用，比如在理论上，氢元素在足够高的压力下，就会变成金属氢。因为氢原子核本质上就一个质子，一旦变成金属，原子热振动的能量是非常巨大的，足以让电子、声子耦合下，形成高临界温度的超导体，甚至是室温超导体，所以金属氢一直是超导研究者们的梦想材料之一。
但是要实现金属氢的压力也是非常巨大的，最初预言需要GPa，也就是一百万个大气压，后来认为需要GPa以上。
年，美国哈佛大学在GPa的环境下得到了成为金属性反光的金属氢。不幸的是，他们在实验中出现了操作失误，让压着金属氢的金刚石对顶砧碎掉了，好不容易得到的金属氢因此消失得无影无踪，而至今人们仍难以重复实验条件来获得如此高压下的金属氢。
从年昂尼斯发现超导现象直到今天只有年，但是通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家已经有10位，足以看出超导对于整个科学界乃至全人类的重要性。
但也正因为如此，甚至有人不惜用造假的方式，来利用超导的研究来给自己增加荣誉。
比如在年，美国罗彻斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯在权威期刊《自然》上发表了一项自己的研究成果，号称自己的团队合成了一种含碳、硫、氢的化合物，并在K的温度环境中表现出了超导性能。
k就是15℃，这已经是常温环境了，本来是一个震惊科学界的发现，但是很快这项研究就受到了行业内众多专家的质疑，因为根据迪亚斯的实验数据需要在10千帕，大约1万倍大气压的环境下才能实现该项研究，这样苛刻的条件让没有个任何一个团队可以重现这个成果。
随后人们甚至还发现，兰加·迪亚斯本人多次出现学术上的造假行为，鉴于这些情况，《自然》期刊也在年撤下了兰加·迪亚斯的论文。
4、LK-99虽然兰加·迪亚斯所谓的发现是一个造假事件，但是这却丝毫没有影响整个科学界对超导的研究。
在今年的7月22日，韩国量子能源研究中心、高丽大学的李石培、金智勋研究团队，在预印本网站arXiv平台上发表了两篇论文，宣布他们成功合成出了一种名为LK-99的材料，而这种材料在常压K的环境中表现出了超导体的特性。
K就是°C，也就是说只要在°C以下，这种材料就将可以作为超导体来看待，这样的一个研究成果让整个科学界瞬间炸锅。
虽然arXiv只是一个交流平台，并非严格的学术机构，但是韩国团队上传的资料信息非常全面，包括各种实验数据，视频，以及LK-99的合成制作方法，而且合成方法非常简单。
具体的操作步骤是先把氧化铅和硫酸铅粉末按照1:1的比例混合，在°C环境中加热24小时，生成碱式硫酸铅。
然后把铜粉末和磷粉末一起加在密封管中，在10的负三次方托的真空度下混合，用°C加热48小时得到磷化亚铜。
最后把已经得到的碱式硫酸铅和磷化亚铜晶体研磨成粉末，按照摩尔比1:1的比例混合，同样置于真空度为10的负三次方托的密封管中，加热至°C，保持温度10小时，这样就可以合成出一种改性铅磷灰石晶体，也就是掺杂了铜的铅磷灰石，这就是实验的最终成品LK-99。
之所以取名叫LK-99，是取自发现者李石培、金智勋的教授名字首字母L、K，以及首次发现它的年份年。
因为LK-99制作的方法简单，几乎在任何一个大学的实验室都可以实现，于是各大研究机构、高校开始尝试制作，很快就成功合成出了实验样品并对它们进行了检测。
检测的项目就是超导材料的两个特性：零电阻和完全抗磁性。
比如华中科技大学的团队就曾经在实验中，观测到LK-99晶体的磁悬浮角度，相当于验证了它具有迈纳斯效应，也就是抗磁性，但是至于“零电阻”现象，目前还没有观测到。
北京航空航天大学研究团队对合成的LK-99检测之后，发现它的室温电阻不为零，也没有观察到它发生磁悬浮，表现出的表现出特征类似半导体，而非超导体，因此对于LK-99是否存在超导性能仍尚未盖棺定论。
鉴于LK-99的影响越来越大，韩国超导协会也对李石培、金智勋研究团队提出要求，让他们提供样品来进行审核。
虽然韩国研究团队承诺会提供样品，但是却没有给出具体的时间，只说在半年之内，鉴于以上种种，韩国超导协会表示，并不支持将LK-99现在就称为“常温常压超导体”。
所以究竟什么情况，我们还是需要继续观察跟进。
5、超导应用我们已经知道了，所谓的超导体就是在某一种情况下，能够超级导电的这样一种物质，超级到完全没有电阻时，那么无论多么远的运输、多么复杂的使用环境，它的电损耗都是零。
在我们今天的生活中，用到的电都是从发电厂来的，所以发电厂和用电者之间的距离就显得非常重要，最常见的导线材料是铜就已经有着非常惊人的导电率了。但是如果有了超导体之后，无论距离多么遥远，电阻都是零，电损耗也是零，所以就可以在最合适的地方建立发电厂，甚至连风能、太阳能这些清洁能源都可以更好的利用。
而除了电力运输之外，超导同样也可以被应用在电力的存储上面，比如我们日常生活中用到的无论是家用电器、新能源汽车、乃至手机、电脑，他们用到的电池都带有损耗。
如果可以用超导体制成电池，那么电力将会被永久保持，无论使用多久都不会被消失，可以完全利用，电力能源就此可以突破时间、空间的桎梏，重组出一整套的完整新系统，让人类文明在日常的生活中完成一个质的飞跃。
当然了，这样一来那些依靠当今电力产业链赚钱的人，无论是生产煤炭的、做电线的、造发电厂的，他们将会面临整个行业的革新，甚至会有很多人因此失去工作。
但是这就是人类文明进化的方向，因为电力损耗减少，那么污染就会减少，因此超导体也是整个电力系统最梦想的东西，如果拥有了它，那么整个电力系统就完美了。
除了电力系统，常温常压超导体还可以被用在磁悬浮列车之上，这就是利用了它的抗磁性，目前我们熟知的高铁，北京到上海最快的速度是50千米每小时，需要将近6个小时。
超导磁悬浮列车到底有多快呢？科学家有一个很大胆的想法，如果把这个磁悬浮的轨道放在真空管道里面去，这个时候没有空气阻力，速度至少能达到千米每小时以上，从北京到上海只有半个小时。
这是一种什么速度？比音速的千米每小时快了2倍多。
除此之外，超导体还可以用于计算机芯片领域，因为我们目前的电脑芯片在在运作时会产生大量热量，因此在设计的时候需要考虑到散热功能。但是如果可以用超导体来制作芯片，超导体在使用时完全不产生热量，那么就可以随意设计芯片的结构和大小，这样无论是算力还是造型上，都将突破我们目前物理世界对计算机的一些限制。
除了我们上面提到的这几个应用场景，室温超导材料还可用应用的领域包括可控核聚变、核磁共振，以及被称为是下一个纪元的量子计算时代。
尾声在人类文明发展的历史上，经历了数次的工业革命：从18世纪60年代开启的蒸汽时代、到19世纪后半期的电气时代。再到20世纪70年代以来，以原子能、电子计算机生物工程等发明和应用为主要标志的科技时代。
人类每一次经历过新的革命之后，都会极大地提高全社会的生产效率，最终实现了从传统农业社会转向现代工业社会的转变，使整个人类文明面貌发生了翻天覆地的变化。
我们现在则是处于第四次工业革命，它涵盖了人工智能、物联网、大数据、自动化、生物技术等多个领域，强调数字技术和物理技术的融合。因此也被称为"数字革命"或"智能革命"。
而关于超导材料的研究与开发，毫无疑问是第四次工业革命的重要课题，如果室温超导技术成为现实，我们的未来将会突破现在所有的认知。
想象一下：我们在在家中可以睡在一张漂浮在空中的床上，生活中用到的所有电子产品，不再需要充电，当我们走出房间，看到的是漫天漂浮的城市、汽车，而这一切的动力来源，全部是清洁的风能、太阳能，甚至是由原料充足、性能优异、安全可靠的可控核聚变产生。这将会是一幅多么美妙的生活画面。
虽然这些看起来离我们很远，因为无论是LK-99，还是别的室温超导技术，目前还处于研究和开发阶段，但是我相信所有关于超导的设想画面，未来都将实现，因为这是人类文明进化的必然结果。
心中有念，指尖有温，我是墨代王朝，我们本期的节目就到这里，感谢大家的观看，让我们下期再见。
（全文完，谢谢观看，图片来自网络）
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