芝加哥即將成為「超導」都市

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作，泛科學企劃執行。

• 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國～」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現，然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳，讓民眾再度興起可能染疫的恐慌，特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友，包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等，由於自身免疫問題，即便施打新冠疫苗，所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗，這群病人一旦確診，因免疫力低難清除病毒，重症與死亡風險較高，加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍，死亡率則是 2 倍。

進一步來看，部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑，使得免疫功能與疫苗保護力下降，這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑，或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示，部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人，以器官移植病患來說，僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低，靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體？主因為疫苗抗體產生的機轉，是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體，這即為「主動免疫」，一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下，免疫低下病患因自身免疫功能不足，難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身，因此可採「被動免疫」方式，藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體，給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體，可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗，或接種疫苗後保護力較差的困境，有效降低確診後的重症風險，保護力可持續長達 6 個月。另須注意，單株抗體不可取代疫苗接種，完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防，台灣也在去年 9 月通過緊急授權，免疫低下患者專用的單株抗體，在接種疫苗以外多一層保護，能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看，長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群，接種後六個月內可降低 83% 感染風險，效力與安全性已通過臨床試驗證實，證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險，根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案，符合施打的條件包含：

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤，且；
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2，且；
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史，且；
四、且符合下列條件任一者：

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患（淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病）
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm³ 者 。

符合上述條件之病友，可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感，少數病友會有些微噁心或疲倦感，為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應，需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下，完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案。

• 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

• 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

• 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力，還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示，只要在出現症狀後的 5 天內投藥，可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險；如果是3天內投藥，則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險，所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

• 新冠治療藥物比較表：

免疫低下病友需有更多重的防疫保護，除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外，按時接種COVID-19疫苗，仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患，應主動諮詢醫師，經醫師評估用藥效益與施打必要性。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

超導體的神奇性質，一向只有在零下數十或數百度才會現身。就在今年十月，科學家首次在攝氏 15 度的環境下觀察到超導現象，打破了先前的紀錄（零下 23℃）。在尋求室溫超導的世紀大業中，寫下新的篇章。

超導體是什麼？

一般金屬導體（例如銅、銀）的電阻會隨著溫度下降而變小，不過即使在接近絕對零度時，還是會存在一點點的電阻。人們在 1911 年時發現，有些特定的材料被冷卻到一個程度後電阻會驟降為零，也就是超導現象。這時就算不提供任何電壓，超導體也能穩定的維持電流流動，流到天荒地老。實驗上，超導體已經成功讓電流跑了25年，並持續增加中。

除了零電阻之外，超導體的另一項特異功能是完美的抗磁性。一般來說，磁力的影響可以穿透物質，所以磁鐵才能將海報黏在黑板上。不過超導體會將所有意圖通過的磁力線拒於門外，磁力線被迫繞過超導體，使其內部磁通量等於零，此為所謂的邁斯納效應（Meissner Effect）。如果將一小塊磁鐵放在超導體上方，便可以看到它因為排斥的磁力懸浮在空中。

怎麼還沒應用在生活中？

超導體的這些夢幻性質能夠全面革新世界的樣貌，從磁浮技術，資料傳輸，到零耗損電力網，都將不再是夢想。然而從 1911 年到現在，這些科幻片中的場景仍未實現，因為超導性質只有在材料低於特定的臨界溫度才會出現，而在實驗上，這個臨界溫度通常約零下兩百多度。

要將材料保存在如此低溫的環境可是所費不貲，任何的大型產業應用也因此難以實現，因此，研究能在較高溫度，甚至在常溫下具備超導特性的材料，就顯得格外重要。

尚未理解的高溫超導機制

過往的超導體理論，是透過原子晶格與電子間的交互作用來解釋超導體的存在，在這種解釋下，物質只會在接近絕對零度、原子的熱擾動極小時，產生超導現象。這種理論只能解釋傳統低溫超導體的機制，對於臨界溫度較高的高溫超導體，雖然可以在實驗上觀察到，但至今仍沒有一個公認的理論模型可以解釋。因此，關於高溫超導的實驗與理論，便成為目前科學界努力尋求的大秘寶。

根據一些初步的模型預測，氫分子或許是個潛力股。不過一般的氣態氫是絕緣體，而金屬氫需要極大的壓力才能合成。因此近期常見的嘗試方向是富含氫原子的金屬物質，例如在 2015 年創下臨界溫度紀錄的硫化氫（-70℃），以及將這個紀錄打破的十氫化鑭（-23℃）。

超導特性出現在常溫 15℃！

羅切斯特大學的實驗團隊在今年利用碳、氫和硫元素，合成出含有碳質的硫化氫（carbonaceous sulphur hydride），並觀察它的超導特性。一塊小小的樣本被鑽石壓砧夾住，並施予 270 GPa 的壓力。在這樣的條件下，超導體特有的零電阻與抗磁性在驚人的 15℃ 便突然現身。

當然，這樣的實驗成果距離實際的日常應用還有一段距離。碳質氫化硫樣本只有幾微米大，而鑽石壓砧所施加的壓力也只比地核內部壓力少一點。研究團隊接下來計畫持續調整樣本的化學配方，只要配方對了，他們相信正常壓力下的室溫超導體應該指日可待。

參考資料

• Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride

「超導體，我研究了一輩子！」電力傳輸、儲能系統、醫療設備、微波通訊、磁浮列車······你知道都能運用超導體技術嗎？隨著科學界對超導體相關現象的理解越來越深，以及「高溫超導」的發現，超導材料將在生活中扮演不可或缺的角色。本文專訪中研院吳茂昆院士，聊聊超導體目前的進展及未來。

超導體：永久電流、完全反磁

超導材料是指當溫度低於某個程度，該材料就會顯現出超導現象。超導現象主要會呈現兩大特性：一個是「電阻為零」，即電流在超導體內部流動時，不會有損耗而能一直流通，成為永久的電流；另一則是「完全反磁現象」，若外加磁場在超導體上，超導體會排除磁場，使磁力線完全不能通過。

超導體自發現以來就被視為極為有發展潛力的科學現象，但早期發現的超導材料如水銀（Hg）、鉛（Pb）、錫（Sn）等超導臨界溫度都低於攝氏零下 260 度，經過科學家幾十年的努力，只將溫度提升了 10 度左右，超導體的研究開始陷入泥淖。

但就在 1986 年， IBM 發現了一種氧化物超導臨界溫度為零下 238 度，相關研究又開始有了進展。隔年，朱經武與吳茂昆團隊發現了「釔鋇銅氧的氧化物」擁有超導特性，震驚了世界！

2008 年時，吳茂昆團隊又發現硒化鐵（FeSe）擁有超導特性，此鐵─硫族系統在製程上較簡易，且毒性相比其他超導材料較低，生物相容性也較高，在應用前景上非常被看好。而更有趣的是，近年來吳茂昆團隊發現鐵硒材料中「鐵的空缺」是開啟超導關鍵的因素之一。

超導體的最新研究趨勢

Ｑ：科學家對「超導體」最新的理解是？
Ａ：目前超導材料有兩個主要的系統：一個是以銅氧化物為主體的，像是我們在 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」，一個是用鐵取代銅的化合物。

銅的氧化物是目前被探究、應用最多的超導材料，很多的元件，包括「超導電纜」都被做出來了，推出於市面指日可待。

一般來說我們熟知的氧化物像陶瓷材料等等應該是不導電的，因此這個銅氧化物導電的機制跟一般金屬是不同的，當然它還是以電子電洞來帶動電流，但是電子離子如何引進來、如何運作，這是目前重要的課題，科學家稱這個為「強關聯電子體系（Strongly correlated electronic systems）」，在超導材料中，電子跟電子的交互作用是非常強的。

另一個重要的體系則是用鐵取代銅，成為全新的超導材料架構，像我們最近的研究就發現「鐵」跟「硫化物」形成的化合物也出現了有趣的超導現象，雖然這個體系的超導臨界溫度沒有很高，但是因為結構較簡單，讓我們更加了解超導產生的機制。

「室溫超導」從學理上來看是存在的，問題是存在於什麼樣的材料體系和架構中，現在全球科學家們都還在研究。

Ｑ：團隊的超導體研究，有看見什麼有趣的事嗎？
Ａ：我們自 2008 年發現「鐵硒超導」後，那就成為團隊的重點研究項目之一，當然銅氧化物方面我們也在跟其他團隊合作超導線的應用等等，但科學上重點放在鐵硒相關系統。

雖然「鐵硒超導」架構簡單，但我們發現到鐵跟硒形成的平面體中，很容易出現鐵有空缺的架構，比如說我們目前最常見的是，每四個鐵排列後，第五個鐵就空缺了，然後再重複同樣結構。

我們用一些方法來操控鐵空缺的排列，例如控制壓力、控制溫度（急速降溫），發現鐵空缺跟超導的形成是有關係的，同時這個結果也可以用來解釋銅氧化物的一些機制。這也衍伸了我們未來的研究，去尋找有鐵空缺特性的過渡金屬，看有沒有機會形成超導體。

超導體能成為夏季限電的解方嗎？

Ｑ：台灣夏天會面臨的限電難題，超導體是否能有助解決？
Ａ：目前我們使用傳輸電力的銅線，傳輸時會有 10% 左右的電力損耗，特別是台灣有很多老舊的線路，若改用零電阻的「超導電線」，就可以避免那 10% 耗電，讓被浪費掉的電成為可運用的電。

另一個概念則是「超導體儲能器」。電是很難儲存的，目前我們主要是靠水庫儲電，能儲存的電力有限。但若用超導材料繞成線圈，由於零電阻，電流會永久流動，產生的磁場就是一種能量，我們可以把太陽能發電及風能發電儲存在裡面，要使用時再拿出來用。

另外，也可運用「超導馬達」做成風力發電機，由於超導磁場較強，尺寸可以做比較小、噪音也比較小。我們有個構想，若能用超導馬達做個小型風力發電機，然後運用超導儲能器儲能，就能放在中研院運用、展示。

Ｑ：台灣在超導體領域領先全球的地方為何？
Ａ：由於我們發現了「鐵硒超導材料」，所以這塊以及「鐵空缺」的概念算是有一部分領先的，不過科學也很難說誰領先誰落後，各有千秋，但是基本上我們在這領域不是落後別人就是了。

從七星潭邊的物理少年，到超導物理專家

Ｑ：什麼時候開始對「物理」產生興趣？
Ａ：我們那個年代的小孩子主要是受到楊振寧和李政道的影響，唸小學時聽學校廣播他們拿諾貝爾獎，那時候我也搞不懂什麼是諾貝爾獎，但就是激起了對科學的熱情（笑）。

至於為什麼會選擇研究「超導體」，大四時學校有門課是讓同學自己選個主題去了解，我有個同學選了超導，他跟我聊了超導體後，我發現這門學問真有趣，所以後來唸研究所就決定研究超導體，一讀就是一輩子。

其實我的學術生涯算很順利，也還蠻平淡的，但是有很多興奮的發現，很有成就感，其實我算是很幸運的人。

雖然做研究要靠一點運氣，也要看一個人有沒有足夠的知識準備，當實驗過程中看到一些現象，能不能把握住。

Ｑ：1987 年發現「釔鋇銅氧」有超導特性時，是什麼心情？
Ａ：那種感覺很難用言語形容，我在猜可能跟中樂透的人心情很像，不過我是沒有中過樂透（笑）。

但是得到錢的感覺，跟科學上發現新東西還是不同的。我們夢想了很久的東西，沒想到就突然出現了，這是對科學發展有貢獻而獲得的快樂，我覺得從事研究工作最大的回報是這個。我讀博士班時，第一次將材料變成有超導性質也獲得了這種類似的快樂。

Ｑ：會不會覺得現在研究物理比以前方便多了？
Ａ：現在當然是方便很多，不過我覺得以前算是很好的訓練，順練如何在圖書館查資料，如何從一大本目錄中去查論文，利用有限的資源去尋找需要的資料。

以前確實是很辛苦，但是方便也有方便的壞處，我就唸過我們實驗室的學生，不要把機器架好、電腦打開，用自動控制去搜集數據，就去睡一覺隔天再回來看結果，這樣會有個缺失。

當實驗數據某個時刻發生變化，你隔天才看結果，會不清楚這是因為環境變化？還是一個重要的材料特性訊號？

沒有在第一時間看到實驗變化的話，會降低對數據的掌握度及靈敏度。我還是鼓勵測量時要盡量即時去觀察數據的情況。

Ｑ：從小在花蓮成長的經驗，對研究生涯有沒有影響？
Ａ：由於生長在花蓮，生活比較悠閒，學生也不多，老師給的壓力也不大，讓我能夠自由發揮，自由涉獵知識，不會說為了升學就什麼不准做，這讓我的思維比較不受限制。

吳茂昆回憶，當年讀花蓮高中時沒有圍牆，中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸，和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作，學物理時就有助於理解物理規則，而非死背定律。

在研究科學中，這點其實很重要，不要被某個理論、某個框框鎖在裡面。我覺得這也是教一個小孩比較好的方式，給他一個環境，讓他自由地發揮。

延伸閱讀

• 吳茂昆的個人網頁
• TED x Taipei ─ 熱情點燃超導體，講者：吳茂昆 (影片)
• 〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉，作者：吳茂昆
• Wu MK*, Wu PM, Wen YC, Wang MJ, Lin PH,Lee WC,Chen TK ,Chang CC , AUG 2015,“An overview of the Fe-chalcogenide superconductors”, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS ,Vol:48,Issue:32
• Lin, KH * , Wang, KJ , Chang, CC, Wen, YC, Lv, B , Chu, CW , Wu, MK, MAY 16 2016, “ Ultrafast dynamics of quasiparticles and coherent acoustic phonons in slightly underdoped (BaK)Fe2As2”, SCIENTIFIC REPORTS, Vol:6, Article Number:25962
• 採訪編輯｜柯旂
• 美術編輯｜張語辰

本著作由研之有物製作，以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

你可以想像把城市裡的電線換成超導體嗎？美國的電力供應商聯邦愛迪生（Commonwealth Edison, ComEd）宣布，他們將在芝加哥的部分市區裝設地下超導電纜！

在供電網複雜的城市裡，一旦遇上突發事件使部分電路失效，大量電流便會轉移向其他電路輸送，過量的電流會造成其他電路超載，進一步癱瘓整個供電網。著名的案例像是2012年，珊迪颶風侵襲美國東岸，對紐約這類大都市帶來莫大傷害，不止人員傷亡慘重，斷電造成的經濟損失更是無法估計。

為了解決這個問題，美國國土安全部（Department of Homeland Security, DHS）挹注經費給聯邦愛迪生公司，將在芝加哥現有的地下電纜旁加設超導電纜[1]。超導電纜比起一般電路，具備更高的電流負載量，當一般電路發生問題，超導電纜便可作為備用通路，負荷突然暴增的電流量，避免更大規模的斷電。此舉不只是能減緩因缺電帶來的經濟損失，在安全考量上，也能預防大都市在陷入斷電狀態而增加的犯罪死角。

計劃中使用的超導電纜是由美國超導公司（American Superconductor）發展的”Amperium”高溫超導線（超導轉換溫度：90K）[2]，以合金（氧化釔鋇銅）層壓製成，比起相同尺寸的銅線，可以負荷將近其兩百倍的電流量[3]。不過超導電纜的成本也比一般導線來的高，礙於經費，此計劃目前只預計在芝加哥的部分區域配置。

延伸閱讀：

• 研究：摻水的石墨薄片在高溫下展現超導特性
• 高速超導電路

參考資料：

1. ComEd to Partner with AMSC on Superconductor-based Resilient Electric Grid System
2. Effect of Temperature and Magnetic Field on Amperium Wire Performance
3. Amperium Brass Laminated Wire

資料來源：Chicago planning to lay superconducting cable to recent power outage in the Loop [July 17, 2014]