中東有石油，中國有稀土，稀土用不好，沒地去訴苦！我們都知道，稀土是現代工業和先進材料的味精，在很多領域都有著不可或缺的重要作用。我們不僅要聚焦稀土資源的保護，更要關注稀土產品在高科技領域中的應用。今天我們介紹稀土在超導材料中的應用。
鑭鈰鐠釹鉕釤銪，釓鋱鏑鈥鉺銩鐿鑥，鑭系15個元素，加上釔和鈧，組成了我們通常所說的稀土元素。今天我們的主角是老大鑭元素和鑭系的堂兄弟釔元素在超導材料中的應用。
超導現象，也就是導體電阻變成零的現象，是20世紀最神奇的發現之一，從一發現就被寄予厚望，希望能帶來能源等行業的革命。據測算，我們通過電網輸電，有5-6%的電力損失在傳輸電能的電線裡面。中國2019年全年發電量71422億度，按上述比例，一年大概損失4300億度電！換用超導材料輸電，就可以把這些電的絕大部分都省出來，這是非常誘人的。但是直到現在21世紀20年代，超導材料依然沒有能實現大規模的應用。我們一起來看看是什麼原因。
其實現在應用最多的超導材料是NbTi線材和Nb3Sn線材，其中鈮元素是關鍵元素，鈮的元素符號Nb雖然很像稀土元素釹的Nd，但它並不是稀土元素。相對於其他超導線材來說，這類線材生產成本比較低，加工工藝也比較成熟。我國西部超導材料科技有限公司是這類超導材料的主要生產企業之一。2006年，我國加入了國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，西部超導材料科技有限公司就承擔了NbTi線材和Nb3Sn線材的部分生產任務。另外，我國自己建設的核聚變實驗堆、超級質子對撞機、國產化核磁共振設備等同樣需要大量超導線材。但這種超導材料只能在一些高精尖的領域使用，電網等領域的大規模應用還是有一定難度的。
其主要原因就是這類超導材料只能在特別低的溫度下才能電阻為零，正常溫度下導電性能還不如銅好。而且，這個很低的溫度是接近絕對零度的，一般只有液氦才能維持這樣的溫度。液氦的沸點是4.2開，也就是-269℃左右。本來地球上氦氣就不多，生產成本比較高，再把氦氣變成液體，更需要複雜的工藝和大量的電能。也就是說，讓超導材料保持超導能力的代價是非常大的，用這種材料輸送電能，得不償失。
這麼低的溫度，這麼高的使用成本限制了超導材料的大規模使用。那有沒有可能研發一種常溫的超導材料呢？哪怕是可以用液氮冷卻的材料也行啊，畢竟液氮的生產成本只有液氦的百分之一呀！換句話說，誰能製備出在77開（即-196℃）以上，依然具有超導性質的材料，誰就得到了超導材料界的聖杯。其實，我們所謂的高溫超導材料，並不是說溫度很高，25K（即-248℃）以上就算高溫超導材料了，而77K以上的液氮溫區超導材料，簡直就是理想中的高溫超導材料了。
經過科學家們不斷的努力，終於在1987年用添加了稀土的材料YBaCuO實現了液氮溫度的超導。歐洲兩位華裔科學家最早宣布了液氮溫區超導材料的研究結果，緊接著中國的趙忠賢先生和日本科學家幾乎同時獨立實現了液氮溫區超導材料的製備，而且趙忠賢是全世界第一個公布這種材料成分的人，成果得到了全世界的認可。這種材料中的釔元素是稀土元素，也可以用一些其它的稀土元素所替代得到類似的性能。趙忠賢院士相當於中國超導科學領域的于敏、錢學森。
另外，值得一提的是，我國的科研團隊曾經利用燒結YBaCuO材料實現了130開的超導溫度，這可是比液態甲烷的溫度還高啊！東城觀星自己曾經設想，如果把西氣東輸和西電東輸結合起來，製作一個高壓輸送管道，直接輸送液化天然氣，再把超導電纜穿到裡面，就可以同時實現天然氣和電能的高效傳輸了，這是多麼理想的能源輸送方式啊！
但是，理想很豐滿，現實卻並不那麼樂觀。YBaCuO材料已經發現了30多年了，到現在，都還沒有大規模應用。主要原因是這種材料屬於陶瓷材料，不能像金屬材料那樣做簡單的拉伸，但也不是像普通陶瓷材料一樣簡單地燒結。它並不能做成傳統的電線樣式，而是地做成一種夾心條帶的形式，超導材料做成細長的薄片加在中間，上下需要覆蓋多層保護材料。這類帶材的生產工藝特別複雜，生產成本也很高。目前這種帶材只能做到一千多米的長度，美日俄韓德的公司和中國公司都可以生產了。但是，生產成本很高，生產效率很低，限制了它的推廣使用。已經量產的帶材，雖然可以在液氮中實現超導，但還不能在液態甲烷中實現超導，距離我的設想還有一段距離。
上述材料是銅基超導材料的一種，我國科研團隊在銅基超導材料的研究中，一直居於世界第一梯隊，但企業應用稍微落後一些。我國做銅基超導材料比較好的公司有蘇州新材料研究所、上海超導技術公司、上海上創超導技術公司等。
銅基超導材料在研究的過程中，2008年日本科學家又開拓了鐵基超導材料，我國的趙忠賢團隊在高溫鐵基超導材料上也做出了大量開創性研究，中國的鐵基超導研究進展也是世界前沿的。鐵基超導材料，也需要用到稀土元素，其中鑭元素使用比較多。
鐵基超導材料，超導的臨界溫度雖然達不到液氮溫區，最高只有50多開，但也算是高溫超導材料了。這種材料比傳統低溫超導材料有更優異的性能和更高的臨界轉變溫度，比銅基超導材料有更簡單的生產工藝、更好的加工性能和更便宜的價格。因此，雖然這種材料還沒有進入量產實用階段，但是未來的前景是非常好的。另外，我國科學家在鐵基超導材料量產化工藝方面做了很多可行的探索。
介紹完了主要稀土超導材料，下面說說超導材料的應用。超導材料，有三大特徵：零電阻、抗磁性和電子隧道效應。三種效應都有非常廣泛的應用。
先說零電阻的應用。說到零電阻，大家可能首先想到的是輸電線中的應用，確實，這能帶來巨大的收益。但是，目前由於成本等原因，超導輸電線最多是做示範性應用，並沒有推廣開。目前超導材料的零電阻特性主要應用在科學研究和醫學上。科學研究上，像大型粒子對撞機、核聚變實驗裝置等超大型科學裝置需要大量超導線材製作超強的電磁場；實驗室的精密裝置如核磁共振儀等，需要使用超導材料。醫學上主要是核磁共振成像儀使用，而核磁共振成像儀，已經是比較普及的醫療檢測設施了，但是這類儀器依然主要靠進口。值得一提的是，我國寧波，多家單位聯手研發了無液氦超導磁體，並製作出了核磁共振成像儀，擺脫了對稀有材料液氦的依賴，未來的市場前景非常可觀。
零電阻，還有很多非常值得期待的應用。比如，超導電動機可以應用於大型的船舶，帶來強勁的動力，超導發電機可以應用於各種發電站，超導變壓器、超導電纜、超導限流器、超導儲能裝置等可以應用於國家電網。其中超導儲能裝置，幾乎可以無損耗的儲存電能，等需要使用時又可以全部釋放出來。超導晶片可以應用於超級計算機，大大降低超級計算機的功耗，提高計算機的計算能力。
超導濾波器、諧振器、延遲線、單光子檢測器等，可以應用於通訊領域。這些超導濾波裝置，可以大大提高通訊設施的靈敏度，幾乎不失真地實現低功率信號傳播。總之，零電阻的超導材料，將為我們帶來節能高效的未來生活場景。
抗磁性，也是超導材料非常神奇的功能。利用超導材料完全抗磁的特性，可以開發磁懸浮裝置。比如磁懸浮列車，可以懸浮在空中前進，沒有軌道摩擦的阻力，大大提高了列車前進的速度，降低了能量損失。磁懸浮列車可以獲得比高鐵更快的運行速度。現在日本和中國都利用超導體抗磁性原理，開發出了磁懸浮列車試驗線路，給全世界做了示範。為了讓大家見證超導磁懸浮的神奇現象，國外很多玩客都把磁懸浮試驗拍成了視頻展示給大家。在用永磁鐵製造的軌道上，經液氮冷卻過的YBaCuO超導材料可以懸浮在軌道上方，輕輕推動就可以沿著軌道運動。
需要說的是，超導磁懸浮，不僅可以在軌道上方懸浮，也可以在軌道下方懸浮，非常神奇。其懸浮的原理就是超導體具有完全抗磁性，內部會產生感應電流，形成一個磁場阻礙超導體靠近或遠離磁鐵。但是，超導體溫度一旦升高，高於一定值以後，就不再有超導性了，也就沒了磁懸浮的能力，就會掉下來。
抗磁性產生的磁懸浮技術，除了可以生產磁懸浮列車以外，磁懸浮飛輪、磁懸浮軸承、高精度陀螺儀等也都可以使用超導材料，創造科幻般的未來生活場景。
超導電子隧道效應，主要應用在超導量子計算機、超導量子幹涉儀、太赫茲電磁波發射與接收等。其中超導量子計算機，目前已經有一些實用的產品面世。正如前面視頻所說，中科大和阿里雲推出了面向公眾的量子云計算平臺，就是使用超導量子計算機。超導量子幹涉儀，主要用於微弱信號的檢測，可以應用於生物腦磁的檢測、生物心磁的檢測、微弱地磁場變化監測、無損檢測等領域。
總的來說，超導材料的宏觀工業應用，如磁懸浮和超導電力系統等，我國是比較靠前的，處於引領地位，但在超導材料高精尖應用上，尤其是先進科研設施和醫學設施等領域的應用，還是不如日美等國先進。另外，相對於日美等國主要專利集中在企業手中不同，我國相當一部分超導專利在科研院所手裡面，企業需要加大與科研院所合作儘快打通產學研通道，才能開拓輝煌的超導產業鏈。
最後需要說一點，最理想的超導材料應該是常溫超導，也就是跟普通電線一樣，不用冷卻也能正常使用的超導材料。目前常溫超導材料也有一個努力的方向，就是金屬氫。金屬氫從理論上可以在室溫條件下也就是25℃左右的溫度條件下，實現超導現象。特別說明，常溫超導是比高溫超導還要高的溫度，與我們日常理解的常溫和高溫的關係正好相反。目前來說，金屬氫必須通過極高的壓強才能實現。只有鑽石這樣的材料才能承受住這麼高的壓強，因此，主要是用鑽石擠壓來製造那麼一丁點的金屬氫。
目前還不能從實驗上證明金屬氫的超導性。就算能夠證明，怎樣讓金屬氫在常溫常壓下穩定存在，也是很大的難題。要知道，軍事上曾經預言過金屬氫炸彈的存在，這種炸彈可以得到僅次於核武器的爆炸威力，甚至可以用來點燃氫彈製造乾淨氫彈。這麼烈性的東西，用來做導線，顯然是不現實的。未來有沒有可能生產一種安全穩定的常溫超導材料，是很值得期待的，一旦研製成功，其商業價值是非常巨大的。
今天的介紹就到這裡，以後陸續介紹稀土的其他應用。關於稀土材料和超導材料，您還有什麼要說的，請在評論區發言，粉絲神評，定期手工置頂！別忘了評論、關注，謝謝大家！