豐田普銳斯並不完全是肌肉車。 但引擎蓋下的磁鐵確實具有強大的威力。
資料來源：美國地質調查局賈內爾·凱利
這些永久磁鐵是地球上最強大的永久磁鐵之一。 它們產生的磁場比典型的冰箱磁鐵強 10 倍，有助於混合動力汽車的馬達和發電機轉動車輪並為電池充電。 磁鐵強磁場的秘密？ 大約三磅由稀土元素製成的合金。
稀土是 17 種化學元素，主要存在於元素週期表的附錄中，長期以來一直是固態物理學和電子工業的寵兒。 如果沒有這些材料，硬碟就無法儲存如此多的信息，智慧型手機也不會那麼方便攜帶。
「去掉 iPod 耳塞內的小型稀土磁鐵，你就又回到了傳統的耳罩式耳機，」愛荷華州美國能源部艾姆斯實驗室主任 Alex King 說道。
但有些人，特別是美國和日本的人，已經開始擔心稀土供應可能會出現短缺。 雖然這些元素本身並不稀有，但它們集中在少數幾個地方。 去年，中國生產了全球約 97% 的稀土。 近年來，該國一直在削減稀土出口量，2010 年配額減少了近 40%。
不斷上漲的價格和迫在眉睫的潛在短缺現在引發了對消耗大量稀土的磁鐵技術替代品的尋找。
對於某些應用，稀土元素可能是不可取代的。 彩色電視和其他帶有陰極射線管的顯示器中使用的螢光粉從銪化合物中獲得明亮的紅色。 這種稀土電子在能階之間跳躍並以元素週期表中任何其他元素無法模仿的方式發光。
磁鐵約佔全球稀土消費量的五分之一，但情況可能有所不同。 在美國能源部的資助下，美國的材料科學家正在復興磁鐵研究，這一領域在近三十年來一直沒有重大突破。 同時，日本——全球磁鐵產量僅次於中國——已將 2011 年預算中超過 1.5 億美元用於研究，以減少對稀土的需求。
一些科學家計劃透過使用較少這些材料的混合物來使最強的稀土磁鐵變得更強。 其他人則希望放棄這些元素，轉而使用可能足以完成這項工作的普通金屬。
德國德勒斯登萊布尼茨固態與材料研究所研究磁體的材料科學家奧利佛古特弗萊施 (Oliver Gutfleisch) 表示：“永磁中的許多老問題正在用新工具重新審視。” “我們必須生產下一代磁鐵。”
重溫鐵器時代
磁鐵的強度——它拉動鐵的能力——始於它的電子。 每個電子都繞其軸旋轉，就像行星或花式滑冰運動員一樣。 在大多數物質中，電子成對配對，沿相反方向旋轉。 但有些元素具有不成對的電子，這些電子的旋轉方式使它們的原子變成帶有北極和南極的微小條形磁鐵。 將一組這樣的原子短暫暴露在磁場中，它們就會像士兵一樣筆直地排列在一起，共同形成一個大磁鐵。
鐵是地球上最易磁化的材料之一，但磁鐵通常不是由純鐵製成的，這是有充分理由的。 在最輕微的刺激下，例如微小的電場或溫度的變化，鐵原子就會破壞排列並偏離排列，從而損壞磁鐵。 因此，鐵被認為是軟磁的。
冶金學家艾弗·安德森（Iver Anderson）花了數年時間在艾姆斯實驗室的坩堝中提純稀土金屬，現在希望硬化軟鐵合金，以製造出不含稀土的磁鐵。 我們的目標不是製造出可以與當今最好的磁鐵相媲美的東西，而是製造出具有更好底線的東西。
「對於許多應用，我們不必達到與稀土磁體相同的磁場強度水平，」他說。 “對於混合動力汽車，我們可能需要 50% 左右的強度。”
安德森和他的同事計劃透過改變其晶體結構的形狀來硬化鐵和鈷的混合物。 構成鐵鈷的立方體原子晶格給原子提供了太多的自由度來擺動。 其他晶體結構，例如六邊形和四面體，更能保持原子排列，因此「我們正在嘗試找出一種方法來扭曲立方結構並使其成為四面體，」安德森說。 他在五月的能源部會議上提出的電腦模擬表明，可以透過在通常的鐵鈷配方中添加其他原子（也許是鎢或氮）來實現這一目標。
艾姆斯團隊也正在重新研究 20 世紀 40 年代商業化的「鋁鎳鈷」磁鐵。 這些磁鐵主要由鋁、鎳、鈷和鐵製成，相當堅硬，但強度僅為最好的稀土磁鐵的五分之一左右。 調整這些磁鐵的結構以排列鐵鈷顆粒可能會增加吸引力。
「我們至少需要一年的時間才能知道這是否有效，」安德森說。 “從經濟角度來看，這是否有意義是另一個更進一步的問題。”
另一位想要研究鐵器時代磁鐵的科學家是日本東北大學的高橋美岳。 他正在試驗鐵和氮的組合，因為由這些元素製成的薄膜是已知的最易磁化的材料。 今年三月，高橋的合作宣布了一種製造保留這種特性的粉末的方法，儘管它們仍然缺乏無稀土磁鐵所需的硬度。 和安德森一樣，高橋也著眼長遠。 他預計至少要到 2023 年才能用這種材料製造商業磁鐵。
難得一見的景點
由於不確定這些經過充分探索的傳統材料很快就會帶來新的驚喜，艾姆斯科學家和其他團隊正在嘗試自下而上地重新發明稀土磁鐵。
當今使用的最好的稀土磁鐵可以追溯到 1983 年，當時通用汽車公司和日本住友特殊金屬公司的科學家獨立製造了第一種鐵、硼和稀土金屬釹的合金。 這項突破是由經濟推動的。 當時最好的磁鐵是鈷和稀土釤製成的，鈷的價格迅速上漲。
添加釹原子會抑制鐵的部分磁場強度，但會大大提升其抗退磁的能力。 釹磁鐵可以達到約 56 兆高斯奧斯特（MGOe），磁場強度的單位。 相比之下，最好的非稀土磁鐵的 MGOe 超過 10 MGOe，而冰箱磁鐵中使用的材料則不到 5 MGOe。
特拉華大學紐瓦克分校的材料科學家喬治·哈吉帕納伊斯(George Hadjipanayis) 表示：「很難想像製造出比釹硼鐵更完美的磁性材料。」他的研究對於第一個釹磁鐵的發明至關重要。
Hadjipanayis 和他的同事相信沒有任何一種材料可以做得更好，因此他們轉向了複合釹磁鐵。 研究人員正在將磁性硬質和軟質材料研磨成顆粒，並嘗試將它們像粘在球裡的糖果一樣粘合起來。 軟的東西，也許是鐵鈷，應該會增強磁鐵的吸力。 稀土化合物等硬質材料應該能保持強度。
然而，為了使這些材料能夠很好地協同工作，這些顆粒必須非常小，小到足以成為「奈米複合材料」。 當硬塊和軟塊排列在一種拼湊被子中時，硬塊通過相當於磁力彈簧的距離保持連接。 如果在柔軟的部分上拉伸得太遠，彈簧就會折斷，奈米複合材料將不再像單一材料一樣發揮作用。
根據都柏林三一學院的 Ralph Skomski 和 Michael Coey 於 1993 年發表的計算結果，奈米複合材料結構的磁鐵可達到約 120 MGOe，強度是當今市場上任何產品的兩倍多。 它還將使用更少的稀土材料。
「奈米複合磁鐵是稀土磁體的聖杯，」科羅拉多州格林伍德村 Molycorp Minerals 執行副總裁兼首席技術長 John Burba 說道。
新的團隊合作
自從首次提出奈米複合材料以來，由於奈米技術的進步，Hadjipanayis 的團隊現在可以製造出適當微小且均勻的硬磁和軟磁材料，同時還可以防止氧氣損壞其表面，這是製造奈米複合磁鐵的關鍵問題。 紐約州尼斯卡尤納通用電氣全球研究中心的團隊也能做到這一點
GE 正在開發奈米複合磁體，因為它是美國最大的風力渦輪機製造商。 新的渦輪機設計採用了巨大的磁鐵，可以更好地處理風速波動，並提供比舊設計更大的扭矩。 但一台能為大約 2,400 個家庭供電的渦輪機使用多達一噸半的稀土永磁體。
去年，為了應對金屬錸（不是稀土）價格的急劇上漲，GE 科學家用非常小的鎳顆粒製造了一種非常堅固的替代「超級合金」。 使用與該工作和其他工作類似的技術，研究人員現在的目標是將稀土磁鐵的強度提高約 40%，同時將磁體中稀土的含量減少 80%。 不過，這些磁鐵是由什麼製成的，目前仍無人猜測。
「我們正在探索幾種不同的硬質和軟質材料，但尚未選擇特定的化學物質，」通用電氣的材料科學家弗蘭克·約翰遜說。
為奈米複合材料選擇合適的材料並不容易。 2002年，現任職於德州大學阿靈頓分校的物理學家劉平及其同事在《自然描述了混合由鐵和鉑製成的硬磁性和軟磁性顆粒的實驗。 他的團隊融合了這些粒子，產生的磁場比硬質材料本身強 50% 以上。
但劉還沒有弄清楚如何在融合之前讓所有顆粒排列整齊，使奈米複合材料充分發揮其潛力。 鉑可能會使這種方法過於昂貴，不適用於日常磁鐵。
Dys優點和缺點
如果奈米複合磁鐵能夠兌現其承諾，那麼它們應該會減少對釹和另一種稀土元素鏑的需求。
鏑透過重塑磁場來增強磁鐵的耐熱性。 每塊用於混合動力汽車、風力渦輪機或其他溫度飆升至數百度的應用的釹磁鐵都必須添加一些昂貴的鏑。 它的成本是釹的七倍多，目前世界上只有一個地方開採：中國南部的黏土。 因此，一些研究人員正在探索減少其使用的務實方法。
改變磁鐵的微觀結構可能會有所幫助，因為由較小顆粒製成的釹磁鐵自然更耐退磁。 東北大學的材料科學家 Satoshi Sugimoto 及其同事最近與磁鐵公司 Intermetalics 合作開發了細粒磁體，其鏑用量減少了 40%。
完全不含鏑的最好的細粒磁體可能屬於日本筑波國立材料科學研究所的研究員 Kazuhiro Hono 及其同事。 這些磁鐵將在 9 月進行描述書面資料，比不含鏑的商用釹磁鐵的抗去磁能力高出 60%。 但霍諾的磁鐵對於汽車和風力渦輪機來說仍然不夠好。
儘管最近取得了進展，但日本和美國似乎都不指望很快就能實現磁鐵突破。 東京大學的地質學家及其同事最近提議疏浚太平洋以獲取稀土（SN：2011 年 8 月 13 日，第 14 頁 14）。 幾家日本公司還啟動了「城市採礦」計劃，旨在回收手機和其他設備中埋藏的稀土。 日立正在努力從廢棄硬碟和空調的磁鐵中回收 80% 的稀土。
在美國，Molycorp Minerals 重新開放了位於加州莫哈韋沙漠邊緣的一座礦場，該礦場曾經是銪和鈰的有利可圖的來源。 去年，該公司開始加工以前開採的稀土礦石，包括釹。
但這些擺脫困境的努力可能並不經濟，太平洋兩岸科學家的創造力可能無法達到要求。 因此，豐田啟動了一項計劃，透過開發一種依靠電磁體運行的新型馬達來完全消除其汽車中的永久磁鐵（無論是否稀土），電磁體通過使電流穿過線圈來產生磁場，傳統上被認為對於混合動力來說體積太大和電動車。
如果豐田工程師成功，這些新型馬達可以推動下一代混合動力汽車的發展，而無需任何稀土。
