超材料和超导材料虽然只有一字之差，却是两种完全不同的概念。
首先，超材料是一种技术，指通过某种手段调整材料的内部结构使其具备自然界材料所没有的特殊性能的技术，也称超材料技术。
其次，超材料是一类具有特殊微观结构的材料，它们的电磁、声学和热学等物理性质可以通过人工设计的方式实现对自然界中不存在的特殊效应的模拟和控制。
而超导材料仅是指具有零电阻和完全抗磁性的自然材料罕见的特殊功能的某种材料。
一、超导材料及其广泛应用前景
1、什么是超导材料
超导材料是指在低于某一特定温度（约-268.8摄氏度）时展现出无电阻和完全抗磁性的特殊物质，犹如一种在极冷的环境下变得超级高效的导体。
在此极冷的环境下该特殊物质具有两个神奇特性：
（1）零电阻：超导材料在超导状态下电阻完全消失，电流可以在没有能量损耗的情况下流动。
在实验中，如果导体电阻的测量值低于10^-25Ω，可以认为电阻为零。这表明超导材料在超导状态下不会有电能以热能的形式散失，允许电流无损耗地流动。
（2）抗磁性：超导材料另一个神奇特性，能够将其内部的磁场完全排斥出去，表现出完全抗磁性，这一效应也被称为迈斯纳效应。
这意味着磁场线无法穿透超导体，当外部磁场施加到超导材料上时，它会在表面产生一个抵消外部磁场的超导电流，使得内部磁场为零。这一特性使得超导材料可以用来制造强大的磁场。
2、超导材料的重要用途
超导材料就是拥有零电阻和完全抗磁的特殊材料。虽然这些概念听起来可能有些抽象，但它们在多个领域有着广泛的应用。
（1）医学成像技术：超导材料可用于制造强大的磁体，这些磁体是磁共振成像设备的核心部分。
（2）高速交通工具：磁浮列车利用超导磁体产生的磁场实现悬浮，从而能够高速且平稳地行驶，这在提高交通效率方面具有重大意义。
（3）能源传输效率：由于超导材料的零电阻特性，它们可以用于制造几乎没有能量损耗的电力传输线，极大地提高了长距离输电的效率。
（4）电子元件制造：超导材料在制造超导器件和电子元件方面也显示出巨大潜力，例如超导电感器、滤波器和磁传感器等，这些设备在通信基站等技术中已经开始应用。
（5）磁能储存系统：超导材料可以用于制造磁能储存装置，如超导磁体储能系统，这些系统能够存储大量电能，有助于提高电力系统的稳定性和效率。
3、目前人类利用超导材料的方式
目前超导材料已在人们的社会生活中得到某种程度的应用，但由于其苛刻的低温条件使其应用的局限性很大，而且成本极高。
例如在医学诊断中非常重要的磁共振成像仪，超导磁体是它的关键组件，超导磁体就须利用液氦进行冷却，还要确保磁场的高度均匀和稳定。这些要求使得磁共振成像仪的设计和制造过程非常复杂，涉及到精密的材料科学和制冷技术。这都直接影响了磁共振成像仪的总体成本。
二、实现常温超导是人类的最大梦想之一
超导现象自1911年首次被发现以来，就赋予了材料独特的性质，如电阻消失和完全抗磁性，但这些性质在极低的温度下才能观察到。虽然随着高温超导技术的发展，科学家们可以在比绝对温度高出不少的温度区域内生产出超导材料，但要求的温度条件仍然在零度以下100多度，这一条件仍然制约了超导材料的广泛应用。
这从下面的高温超导电缆结构示意图中就可明白。
随着科技的发展，超导材料的应用领域在不断地扩大，人们对超导材料的渴望日益增强，如果常温超导技术得到突破，它将为能源传输、医疗、交通等领域带来颠覆性的变化。因此常温超导技术的每一次突破或每一次近似突破都会引起社会各方面的极大关注，成为具有重要战略意义的高科技前沿领域。
长期以来科学家们不断寻找和合成新型的超导材料，以期在更高的温度下实现超导现象。物理学家们也在理论上进行探索，试图找到新的理论模型来解释和预测超导现象，以指导实验研究。全球范围内的科研团队在这一领域展开了激烈的合作与竞争，共同推动常温超导技术的发展，但结果总是不如人意。科学家们甚至采用古代炼丹术的方法，将各种不同的材料进行冶炼融合，以期发现具有超导材料性能的新材料。这里面最有名的还属2023年7月份韩国闹得沸沸扬扬的“坩埚炼超导”事件。
2023年7月22日韩国科研团队发表一篇论文，宣称自己发现了常温超导体LK-99晶体，在正常大气环境下可在127摄氏度以下实现超导。韩国团队公布的办法堪比古代炼金术，就是把一堆粉末材料扔炉子里烧，烧完了里面就出超导体了。
第一步，把氧化铅和硫酸铅粉末按照1比1的比例放入坩埚中均匀混合，在空气中加热至725度烧24小时，得到黄铅矿晶体。
第二步，把铜单质和磷粉末放入真空管，然后在坩埚里以480度的温度加热48小时，得到磷化亚铜晶体。
第三步，把前两步烧制出来的两种晶体研磨成粉末后放入真空管，在坩埚里以925度加热5~20个小时，然后就得到了一种铜掺杂的铅磷灰石，也就是LK-99晶体，里面有一微粒具备常温超导性能。注意，是仅有超强抗磁性能，并没有做电阻测试。
消息公布以后，全球只要是从事超导领域的实验室都安排人烧炉子，结果10天后美国劳伦斯伯克利国家实验室宣布在美国能源部提供的超级计算机的模拟结果下从理论上证明这种用坩埚烧制常温超导体的办法是存在可行性的。中国和俄罗斯各有一支团队成功烧出了一片几十微米大小的具有超强抗磁性的样品（也是仅有超强抗磁性能）。以后就再也没见全球任何团队烧制出同类样品的报道。
在媒体的大肆渲染下，资本市场也迎来了一波疯狂的浪潮。美国超导股票AMSC当天盘前跳涨71%，最高涨幅150%。
在这次“坩埚炼超导”最闹腾的时候，我给光启发了这么一个信息：“超导材料在全球都没能真正实现，现在只能说看到一丝曙光。可见用传统的方法实现超导材料是多么的难！但要实现零电阻，超导材料必然有其特殊的内部结构，利用超材料技术进行材料内部结构的调整，说不准可以另辟路径实现超导效果，或者能大幅降低电阻率也是极大的好事！”
光启方面给我的回复是：“这个逻辑也对。我们有我们的手段，现在要看他们第一步的测试结果怎么样，如果真的可行了那可以上超材料。”
三、零电阻常温超导材料
既然人类还无法在短时间内做出既有零电阻又完全抗磁的常温超导材料，那能否退而求其次，先做出具有零电阻性能的常温超导材料呢？还真有这个可能！
我们先来看个具体案例！
化学元素里有一个碳元素，它的原子呈四面体结构的话所形成的物质就是金刚石，呈球形结构的话所形成的物质就是富勒烯，呈六边形或三角形结构的话所形成的物质就是石墨，呈平面网状结构的话所形成的物质就是石墨烯。
我们生活在一个三维空间里，在石墨烯出现之前所有已知的元素都是以三维结构存在的。而石墨烯的结构却是单层的石墨，是一种存在于二维空间的网状材料。正是由于石墨烯的二维结构，使它有着异于其它常规材料的极为特殊的性能：
首先，石墨烯超乎想象的轻，却异常坚固，它的强度是钢的300倍，却具有很好的柔韧性。其次，石墨烯还是一种几近完美的导热材料，导热系数高达3000W/m·K~5000W/m·K。第三，石墨烯拥有非常高的电子迁移率，电子在石墨烯上几乎可自由迁移，所以它的导电性也非常好。
也就是说石墨烯拥有常温条件下接近零电阻的性能，几乎可以达到“超导材料”的效果。
这些特性让石墨烯有着巨大的应用价值而成为各大企业和材料研究领域的争先研究的对象。可惜到目前为止人们只能采用把胶带贴合在石墨的表面，然后再一次次揭开胶带得到单层的石墨结构（做这个事的科学家用了一个多月的时间，结果获得了搞笑诺贝尔奖和真的诺贝尔奖）。但用胶带撕只能得到可观察的石墨烯。想要得到能用的石墨烯，目前的化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法等制备方法都还做不了。
还有一种生产石墨烯的方法，即半导体外延石墨烯法。
2024年1月3日，国际期刊《自然》刊载了天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷教授团队的论文《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》。
根据论文介绍，马雷团队通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。这种半导体石墨烯的电子迁移率远超硅材料，表现出了十倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。
据论文介绍，该项研究采用创新的准平衡退火方法，制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯，具有生长面积大、均匀性高，工艺流程简单、成本低廉等优势。该方法制备的半导体石墨烯，拥有约600毫电子伏带隙以及高达5500厘米平方每伏特秒的室温霍尔迁移率，优于目前所有二维晶体至少一个数量级。以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达10000，基本满足了工业化应用需求。
当然，这种方法生产的石墨烯是否能真正实现工业化生产，现在还不知道。
另外，据格隆汇2月4日报道，光启在投资者互动平台表示，目前公司已有石墨烯领域的技术储备。据说光启测量过，单层石墨烯确实有零电阻特性，但多层石墨烯叠合起来电阻很大。至于光启是用什么方法生产石墨烯的，现在还不知道。
以上资料可以说明，至少在常温条件下具备零电阻特征的超导材料是存在的。
四、用超材料技术构建具有低电阻的超导材料
上面所述的“半导体外延石墨烯”生产方法，实质上就是在碳化硅的生长过程中实行人为的精准控制，在中间产生一定宽度的带隙以便于电子无阻碍的运动，从而实现超导材料的特性。这也给我们一个提示，能否用超材料对分子和原子的编辑技术重新排列材料内部的原子结构，留出一定的空隙使电子能自由运动？由于原子和电子本身都很微小，这个空隙的空间是以纳米计算的。
物理学告诉我们，电流是由电子或其它电荷载体在电场力的作用下沿着导体做有规则的定向移动形成的，具体来说，电流的形成可以类比于水流，在水流中，水分子依次流动，而在电流中，是电子依次向特定方向移动。这个过程通常发生在导体中，如金属或半导体材料。电阻的形成主要是由于电子在运动过程中与原子发生碰撞所导致的。这些碰撞会减缓电子的运动速度，从而形成对电流的阻碍作用，就像河流中的水撞到岩石一样。这些碰撞会导致电子失去一些能量，转化为热能，这也是为什么电线会有电阻，会产生热量的原因。
这些关于电流和电阻的物理学原理为通过超材料技术手段重新编辑材料内部原子的排列，形成一定的空隙带以方便电子流动，从而减少流动中的阻力，使材料呈现电阻为零的超导性能，提供了理论上的可能。
但这仅是理论上的可能，从研究成功的可能性来说，涉及到非常深层次的有关于电子在导体中移动的物理机制问题，需要从原子能级导带、禁带、能隙尺度对材料的结构进行编辑和控制。虽然光启宣称可以在5纳米尺度上对材料内部的原子进行编辑排列，但能否满足电子无能量损耗（或低能量损耗）的自由流动要求，还不确定。
即使不能达到电阻为零（电阻真正为零的超导材料是不存在的，或者测不出来的。在实验中如果导体电阻的测量值低于10^-25Ω，可以认为电阻为零），但比现有材料的电阻有很大的减少，也算很大的成就。
如果这条路真的能行得通，哪怕做出的超导材料只有低电阻特性，哪怕这个低电阻离零电阻还有相当的差距，那也足以引起新一轮的技术革命。
首先，所有与电相关的设备，如发电机、电动机、变压器等都要换新的，用超导材料做成的电器设备效率将远远高于目前的产品，重量和体积都会大减。由于发热和能量损耗大为减少，功率也会有很大的增加，目前的产品完全没有可比性，只能逐步被淘汰。
其次，是电线，尤其是长距离输电，由于用超导材料使电阻消失，对输电过程中电耗的减少和输电距离的增加，都将产生极大的作用。这个能耗的节约至少有一个三峡工程的发电量吧！
所有使用各种电器设备的产品，由于电器设备效率的提高和重量的减轻，都将使这些产品的整体性能大幅提高，特别是对新能源汽车来说更是如此。
2023年9月，工业和信息化部、国务院国资委联合印发《前沿材料产业化重点发展指导目录(第一批)》，第1类是超材料，第2类便是超导材料。入选的前沿材料具有三方面要求：一是国内已有相应研究成果；二是具备工程化产业化基础；三是有望率先批量产业化，实现产业引领。
由此可见“超导材料”并不是空穴来风、遥不可及的幻想，有可能在几年内实现。但要做到普及应用，不突破低温限制这个条件是不可能的。在真正的超导材料实现常温应用之前，不妨先实现常温下的低电阻应用。
科学的尽头是神学！人类为实现常温超导材料已经穷尽了各种手段，甚至不惜采用古代炼丹师的方法。光启不妨采用超材料技术来试一下，或许能打开上帝之门！
林 中 行
2024年3月10日