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常温超导来了,对癌症有啥影响:天价质子放疗可能降至「白菜价」!

|2023年08月04日| 浏览:2111

上周,韩国量子能源中心(Q-Centre)爆出一个大新闻,他们宣布发现了首个常温常压下的超导材料LK-99。而且这一材料的制造方法非常简单,甚至可以在中学的化学实验室中完成制备。

 

就在两天前,华中科技大学常海欣课题组宣布合成并验证了LK-99的迈斯纳效应,并在视频网站哔哩哔哩上上传了相关试验视频。只是由于目前的样本量过少,尚无法完成电阻率的测定。常温常压下的超导可能真的要来了。

 


这项物理学上的突破看似离我们普通人还十分遥远,但其实与每个人都密切相关,因为现在应用超导技术最多的就是医疗领域。现在已经普及的MRI检查,以及价格高昂的质子重离子治疗,都可能因此降价。

 

MRI和质子重离子治疗或能降价

 

核磁共振(MRI)和质子重离子治疗都是医疗领域的尖端技术,一个是检查软组织的利器,一个是治疗肿瘤的神器(参考文章:30万的质子重离子放疗 vs. 5万的常规放疗,差异在哪?,而他们都要用到超导磁体:

● MRI通过超导磁体产生的强磁场让氢原子核发生磁共振,以此对软组织成像;
● 质子重离子治疗则要用超导磁体完成质子、重离子的加速、聚焦和定向。

 

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质子重离子治疗仪结构,图中蓝色的都是超导磁体。1是加速器,2和3是治疗室


而这两项技术也都受到了当前超导技术的限制。以MRI为例,我们看到的MRI仪那个巨大的“空心圆筒”,就是真空隔热罩里先套一层液氮罐,再套一层液氦罐,超导线圈则在液氦里面保持4K(-269℃)的低温。

这种结构下,MRI仪的“筒壁”难以做薄,中间留给患者的空间也十分有限,胖一些的人或有幽闭恐惧症的人都很难做MRI检查。

 

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MRI仪的机构

而且,用来给超导线圈降温的液氦是一种非常昂贵的不可再生资源,一台MRI一年运行下来,仅液氦的成本就要10~20万元。

更关键的是,中国还是一个极度贫氦国家,对液氦的进口依赖度高达97.5%,美国则掌握全球接近一半的氦气资源。如果国际形势发生变化,国内的MRI、质子重离子治疗等需要液氦的仪器设备恐怕都会受到影响。

如果能用常温常压超导材料制作MRI仪、质子重离子治疗仪所需的超导磁体,不但可以省掉每年消耗液氦的费用,超导线圈外厚厚的保温制冷结构也都可以去掉。届时MRI仪和质子重离子治疗仪的制造和使用都将更为方便。

悬浮病床预防褥疮


在魔术领域,人体悬浮术可以说是一个经典的魔术,魔术师绞尽脑汁通过各种隐藏的支撑制造出悬浮的假象。但如果有了室温超导材料,人体悬浮将不再是魔术,而成为现实。

这是因为组成人体70%的水分子是一种抗磁性分子,在磁场中无论是靠近N极还是S极都会受到微弱的排斥。

在1994年,物理学家Andre Geim就用一块20特斯拉的电磁铁(一般MRI中的磁场强度为1.5~3特斯拉)实现了青蛙的悬浮,并因此获得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖。(PS:10年后,Andre Geim凭借胶带撕石墨烯获得了真正的诺贝尔物理学奖)

 

青蛙磁悬浮

 


当然,人体比青蛙要沉的多,悬浮人体所需的磁场也比青蛙要大得多。但如果使用超导磁体的话,由于超导体本身也有完全的抗磁性,预计仅需2~3特斯拉的磁场强度就能实现人体的悬浮。

要是用这一技术制造一张病床,患者可以直接悬浮在上面,没有压迫,也不会长褥疮,这对长期卧床的患者及其护理人员来说,都将是一大福利。

其实,医学的每一次进步都和科学技术的发展密不可分。19世纪物理学家对放射性的研究,为医学带来了放疗和x光片,二战时对化学武器的研究为医学带来了化疗,近年来计算机技术的发展也让药物的筛选方便了很多。

这次的LK-99是否真的是常温常压超导材料,它又能给医学领域带来哪些改变,我们拭目以待。

 

 

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