Jak wiemy do przewodzenia prądu elektrycznego wykorzystujemy przewodniki, którymi najczęściej jest miedź, żelazo, stal. Wszystkie jednak przewodniki, charakteryzują się pewną opornością, która sprawia, że część energii przesyłanej za pomocą przewodników, zostaje wydzielona na nim w postaci ciepła, przez co bezpowrotnie utracona. Są jednak pewne szczególne materiały, które w określonych warunkach zachowują się tak, jakby były pozbawione takiej oporności. Materiały te określa się mianem nadprzewodników, a zjawisko przesyłania prądu elektrycznego bez istnienie oporu - nadprzewodnictwem. Nadprzewodnikami mogą być zwykłe metale, takie jak ołów, aluminium, cynk, także ich stopy. Ostatnio okazało się, że nadprzewodnikami mogą też być pewne materiały ceramiczne, tzw. spieki ceramiczne. Jednak, aby mogło zachodzić w nich zjawisko nadprzewodnictwa, muszą one zostać schłodzone do bardzo niskich temperatur, czasem wręcz ekstremalnie niskich. Temperatura, w której dany materiał zachowuje się jak nadprzewodnik, nazywa się jego temperaturą krytyczną. Jednak istnienie odpowiedniej temperatury to nie jedyny warunek, jaki należy spełnić. Jeśli nadprzewodnik znajdzie się w określonym polu magnetycznym, to zjawisko nadprzewodzenia może zaniknąć, nawet pomimo faktu bycia w stanie ekstremalnie niskiej temperaturze. Gdy nadprzewodnictwo zanika, pojawia się opór elektryczny, a ten z kolei prowadzi do wydzielania się ciepła, co w przypadku niektórych elektromagnesów może być bardzo niebezpieczne i może doprowadzić do ich eksplozji.
Pierwszym człowiekiem, który miał styczność z nadprzewodnictwem był holenderski naukowiec Heike Kammerlingh - Onnes. Swego czasu dokonał on skroplenia helu i jako jedyny człowiek, który posiadał hel w stanie płynnym, mógł prowadzić badania nad zachowaniem się ciał w bardzo niskich temperaturach (przypomnijmy, że hel paruje już w temperaturze 4,2K). W swoich doświadczeniach badał zachowanie się rtęci w takiej temperaturze i ze zdumieniem odkrył, że opór elektryczny rtęci zamiast łagodnie się zmieniać wraz ze zmniejszaniem jej temperatury nagle gwałtownie spadł w temperaturze 4,3 K, a przy 4,23 K całkowicie zanikł. Wskazywało to na fakt, że prąd elektryczny płynący przez rtęć, płynął bez żadnych strat. Odkrycie to (które miało miejsce w 1911 roku) świat naukowy uznał za jedno z najważniejszych odkryć fizyki. Uczony nie poprzestał na rtęci i wkrótce przebadał także inne materiały takie jak cynę, czy ołów i stwierdził, że w przypadku innych metali, też można zaobserwować w niskiej temperaturze całkowity zanik oporności elektrycznej. Mimo tego, że nie potrafił wyjaśnić i opisać teoretycznie istoty tego zjawiska, to znakomicie zdawał sobie sprawę z tego jak ono jest ważne. W dwa lata po swoim odkryciu został uhonorowany za nie Nagrodą Nobla.
Jednak przez wiele lat po odkryciu zjawiska nadprzewodnictwa, większych postępów w wykorzystaniu nadprzewodników nie poczyniono. Przede wszystkim naukowcy napotkali na poważne problemy uniemożliwiające praktyczne zastosowanie nadprzewodników. Chodziło o to, że wymagały one pracy w ekstremalnie niskich temperaturach, ich użycie prowadziło do powstawania silnych prądów, a co za tym idzie także powstania silnego pola magnetycznego, które powodowało zanik nadprzewodnictwa. Jednakże problemy te nie zniechęciły naukowców i pierwszymi, którzy podjęli wyzwanie poradzenia sobie z tymi problemami byli naukowcy niemieccy pracujący w laboratorium Meissnera. Dzięki ich badaniom w latach 30 okazało się, że nadprzewodniki można uzyskać już w trochę wyższej temperaturze - 10 K. Jednak prawdziwy sukces zaliczyli amerykańscy uczeni, panowie Kunzler, Hulm i Matthias, którzy to w 1950 roku, badali nadprzewodnictwo w różnych metalach i ich stopach pod kątem, jakie właściwości materiału decydują o możliwości nadprzewodzenia. W wyniku licznych eksperymentów sformułowano empiryczne prawo, które to określało zależność temperatury krytycznej (czyli temperatura przy której materiał zaczyna się zachowywać jak nadprzewodnik), od wartościowości atomów, które budowały dany materiał. Jednak wciąż zagadką pozostawał mechanizm, jaki prowadzi do nadprzewodnictwa i teoretyczne podstawy z tym związane. Zagadką tą zainteresował się pewien fizyk - John Bardeen, wybitny geniusz, który to w 1956 roku został uhonorowany Nagrodą Nobla, za wynalezienie tranzystora ostrzowego. Wraz z Leonem Cooperem i Johnem Schrieferem badali oni nadprzewodnictwo w oparciu o model oddziaływania elektronów z siecią krystaliczną. W 1950 roku odkryto, że różne izotopy tego samego pierwiastka stają się nadprzewodnikami w różnych temperaturach. Było to szczególne odkrycie, dające nadzieję na rozwiązanie tej zagadki, co więcej, zgadzało się ono z teorią Bardeena, Coopera i Schriefera. W 1957 roku została ogłoszona przez nich ogólna teoria nadprzewodnictwa, od pierwszych liter nazwisk tych panów wzięła się jej nazwa - "Teoria CBS". W teorii tej wyjaśniono zjawisko nadprzewodnictwa jako efekt oddziaływania elektronów z fononami, czyli drganiami sieci krystalicznej metalu. W zwykłych temperaturach drgania sieci są znaczne i powodują zakłócenia przepływu elektronów, co objawia się w postaci istnienia oporu elektrycznego. W niskich temperaturach, drgania te zanikają i elektrony praktycznie bez przeszkód mogą się poruszać w metalu, bez jakiegokolwiek oporu. Autorzy teorii CBS, w 1972 roku zostali uhonorowani za swe osiągnięcie Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.
Nadprzewodniki stanowią niesamowicie pociągające rozwiązanie dla techniki. Znalazłyby zastosowanie praktycznie wszędzie, od linii przesyłających energię elektryczną w sposób bezstratny po urządzenia elektroniczne nie wydzielające żadnych ilości ciepła. Jednak jak do tej pory nie skonstruowano nadprzewodnika, który byłby w stanie działać w temperaturach bliższych człowiekowi, a stosowanie nadprzewodników chłodzonych ciekłym helem, azotem, czy wodorem jest dosyć kosztowne. Szczytem marzeń techniki jest nadprzewodnik pracujący w temperaturze pokojowej, czyli ok. 293 K.
Praktycznie od momentu, gdy Kammerling - Onnes odkrył pierwszy nadprzewodnik, trwają poszukiwania nadprzewodników, które pracowałyby w coraz wyższych temperaturach. W 1953 roku Mathias odkrył nadprzewodniki, które były w stanie pracować w temperaturze 18 K. Temperatura ta nadal nie pozwalała na ich praktyczne zastosowanie. Jednak w roku 1973 odkryto nadprzewodniki, które mogły pracować w temperaturze 23, 2 K, a to już umożliwiało ich wykorzystanie w praktyce, ponieważ do ich chłodzenia można było użyć wodoru, zamiast kosztownego helu. Tego rodzaju "wysokotemperaturowym" nadprzewodnikiem był związek niobu z germanem. Badaniami nad nadprzewodnictwem zainteresował się także gigant komputerowy - IBM. W ich laboratoriach dwaj badacze Karl Aleksander Muller i Johannes Georg Bednorz zainteresowali się nadprzewodnikami wykonanymi nie z metalu, a z izolatora. I okazała się wówczas rzecz zaskakująca. Nadprzewodnictwo w materiałach przez nich przygotowanych, które to były spiekami tlenków baru, lantanu i miedzi (pewien rodzaj materiału ceramicznego), powstawało już w temperaturze 35 K. Dzięki temu odkryciu, badacze zostali w 1987 roku uhonorowani Nagrodą Nobla. Odkrycie to także zmobilizowało wielu fizyków do pracy i badań i na efekty nie trzeba było długo czekać, bo już w rok później odkryto nadprzewodniki pracujące w temperaturze 93 K. Jednakże wówczas się okazało, że teoria BCS (która została uhonorowana Nagrodą Nobla) nie opisuje tych przypadków w sposób poprawny. Sami nawet twórcy przyznali, że należy ją udoskonalić, jeśli nie zastąpić zupełnie nową. W roku 1987, kiedy to prawie wszyscy fizycy zajmujący się badaniem nadprzewodnictwa pracowali na materiałach wskazanych przez Mullera i Bednorza, inny fizyk - Allan Herman, zwrócił swoją uwagę na inny materiał - tal. Wykorzystując go, w 1988 roku otrzymał nadprzewodnik pracujący w temperaturze 125 K.
Spójrzym teraz na nadprzewodniki pod innym kątem. Okazało się, że materiał zawierający substancje ferromagnetyczne nie może być dobrym nadprzewodnikiem, ponieważ substancje te przeciwdziałają powstawaniu zjawiska nadprzewodnictwa. W związku z tym, wydawało się, że żelazo na tym polu definitywnie przegrywa. Ale nie wszystkie postacie żelaza są takie same pod tym względem. Otóż struktura krystaliczna żelaza zależy od jego temperatury. Gdy żelazo ma temperaturę mniejszą niż 1000 K, to jego strukturę budują kryształy typu bcc (sześcienne) i przejawia wówczas właściwości silnie ferromagnetyczne, co z kolei przejawia się w tym, że jest stosunkowo łatwo je namagnesować. Kiedy temperatura żelaza osiąga wartości większe niż 1000 K, to żelazo budują kryształy o strukturze fcc. Natomiast gdy podziałamy wysokim ciśnieniem, to kryształy żelaza mają jeszcze inną strukturę - hpc (tzw. kryształy "sześciokątne"), czyli nie wykazuje właściwości ferromagnetycznych. Zanim to odkryto już wcześniej naukowcy przewidywali, że być może żelazo o takiej strukturze będzie spełniało warunki nadprzewodzenia. Uczeni na uniwersytecie w Osace przeprowadzili eksperyment z żelazem znajdującym się w temperaturze powyżej 2K i pod ciśnieniem ok. 15-30 GPa, dowiedli, iż zjawisko nadprzewodnictwa także może w nim występować.
W 2001 roku dokonano kolejnego ważnego odkrycia. W laboratoriach Bell, panowie Kloc, Bao i Dadalabupur skonstruowali pierwszy w swoim rodzaju nadprzewodnik wykonany z tworzywa sztucznego. Produkcja tego tworzywa jest tania, więc sądzi się, że tego rodzaju nadprzewodniki wkrótce znajdą zastosowanie w branży elektronicznej i komputerowej. Jednak odkrycie to nie przyszło uczonym tak łatwo. Przez dwadzieścia lat pracowali oni nad specjalnymi grupami polimerów organicznych, które zachowywały się jak nadprzewodniki. Same organiczne polimery, które są w stanie przewodzić prąd znane są już od lat 70, jednak znalezienie tego rodzaju polimera w którym byłoby możliwe powstanie nadprzewodnictwa okazało się bardzo trudne. Głównym problemem z jakim musieli sobie poradzić uczeni była nieregularność struktury, którą to charakteryzują się polimery. W wyniku jej istnienia niemożliwym stało się powstanie interakcji elektronowych, które to są warunkiem powstania nadprzewodnictwa. Poradzili sobie z tym problemem tworząc związek, który zawierał w sobie plastik - politiofen. Następnie stworzyli regularną strukturę, poprzez ponakładanie na siebie warstw tego związku, w ten sposób aby cząsteczki polimeru były położone jedna na drugiej. Ostatnim etapem ich pracy była zmiana właściwości elektrycznych materiału, którą przeprowadzili za pomocą zupełnie nowatorskiej techniki, poprzez usuwanie elektronów z niego. Tak wyprodukowany materiał przejawiał zdolności nadprzewodzenia dopiero w temperaturze 42 K, co w porównaniu z nadprzewodnikami ceramicznymi nie wydaje się wielkim osiągnięciem. Jednak naukowcy uważają, że wkrótce będą w stanie tak zmodyfikować strukturę cząsteczkową polimeru, iż temperatura pracy nadprzewodnika znacznie wzrośnie.
W dzisiejszym dniu, nadprzewodniki głównie wykorzystywane są przy wytwarzaniu elektromagnesów. Sprawdzają się tutaj znakomicie, ponieważ uzwojenia z nich wykonane nie powodują rozpraszania energii, same elektromagnesy nie muszą być tak masywne i co najważniejsze ich zastosowanie powoduje spadek kosztów produkcji.
Takie uzwojenie wykonane z nadprzewodnika może stanowić stop niobu i tytanu - Nb - Ti. Temperatura krytyczna dla tego materiału wynosi 10 K. Elektromagnesy wykorzystujące takie uzwojenia są w stanie wytworzyć pole magnetyczne o natężeniu ok. 8 Tesli. Gdy jako uzwojenie użyje się nadprzewodnika wykonanego z Nb3Sn, to pole magnetyczne może osiągną natężenie nawet dochodzące do 17 tesli. W przypadku tego nadprzewodnika, jego temperatura krytyczna wynosi 18 K. Uczeni amerykańscy już marzą o akceleratorze, który wykorzystywałby elektromagnesy nadprzewodzące i który być może wprowadziłby fizykę cząstek w nową erę. Innym przyszłościowym wykorzystaniem nadprzewodników jest pociąg, który byłby w stanie poruszać się lewitując nad specjalną szyną. Pociąg ten byłby wyposażony w nadprzewodzące magnesy, które byłyby w stanie wytworzyć pole magnetyczne na tyle silne, że umożliwiałoby zawieszenie pojazdu w powietrzu i wskutek praktycznego braku tarcia (jeśli chodzi o powierzchnię) osiąganie prędkości rzędu 500 km/h. Oczywiście wojsko także znajduje zastosowania dla nadprzewodnictwa. W Japonii planuje się skonstruowanie łodzi podwodnej która jako systemu napędowy używałaby nadprzewodzących magnesów. Działanie takiego systemu napędowego miałoby polegać na tym, że cząsteczki wody przyspieszane byłyby we wnętrzu magnesu, podobnie jak to ma miejsce w akceleratorze, w wyniku czego, powstawałaby siła odrzutu napędzająca statek. Prędkość takiej łodzi podwodnej mogłaby dochodzić do ok. 100 węzłów.
Oczywistym wykorzystaniem nadprzewodników jest budowanie przewodów, które to byłyby w stanie przesyłać energię elektryczną bez jakichkolwiek strat. Jednak w chwili obecnej nie jest to rozwiązanie opłacalne, ponieważ przewody takie wymagają znacznego chłodzenia. Jeśli chodzi o nadprzewodniki wysokotemperaturowe, to jak już powiedzieliśmy są one wykonane z materiału ceramicznego. A materiał ten nie jest zbytnio odporny na uszkodzenia i łatwo koroduje. To prowadzi do tego, że ich wykorzystanie w przemyśle jest bardzo utrudnione. Jednak nadprzewodniki ceramiczne wysokotemperaturowe prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości znajdą zastosowanie w przemyśle chemicznym. Dlatego też obecnie bardzo ważne staje się poznanie ich własności chemicznych, oraz metod ich wytwarzania.
