稀土元素的隐藏特性如何使现代技术成为可能

在弗兰克·赫伯特的太空歌剧中沙丘一种名为香料混合物的珍贵天然物质使人们能够在浩瀚的宇宙中航行，建立星际文明。

在地球的现实生活中，一组被称为稀土的天然金属使我们自己的技术驱动的社会成为可能。几乎所有现代电子产品对这些关键组件的需求都在飙升。

稀土满足数千种不同的需求——例如，铈被用作精炼石油的催化剂，钆在核反应堆中捕获中子。但这些元素最突出的能力在于它们的发光和磁性。

我们依靠稀土来为智能手机屏幕着色，依靠荧光来表明欧元纸币的真实性，并通过海底的光纤电缆传递信号。它们对于制造一些世界上最强、最可靠的磁铁也至关重要。它们在你的耳机中产生声波，在太空中增强数字信息，并改变热寻导弹的轨迹。稀土还推动了风能和电动汽车等绿色技术的发展，甚至可能催生量子计算机的新组件。

“这个名单一直在不断地增长，”合成化学家兼独立顾问斯蒂芬·博伊德 (Stephen Boyd) 说。 “他们无处不在。”

稀土的超能力来自于它们的电子

稀土是镧系元素（镥以及元素周期表中一行中镧和镱之间的所有 14 种元素）以及钪和钇，它们往往出现在同一矿床中，并且与镧系元素具有相似的化学性质。这些灰色至银色金属通常具有高熔点和沸点，具有延展性。

它们的秘密力量在于它们的电子。所有原子都有一个被电子包围的原子核，电子位于称为轨道的区域。离原子核最远的轨道中的电子是价电子，它参与化学反应并与其他原子形成键。

大多数镧系元素拥有另一组重要的电子，称为“f电子”，它们位于价电子附近但稍靠近原子核的金发姑娘区。 “正是这些 f 电子决定了稀土元素的磁性和发光特性，”内华达大学里诺分校的无机化学家 Ana de Bettencourt-Dias 说道。

稀土增加颜色和光线

沿着一些海岸，夜海偶尔会发出蓝绿色的光，因为生物发光的浮游生物在海浪中相互推挤。稀土金属在受到刺激时也会辐射光。德贝当古-迪亚斯说，诀窍是刺激它们的 f 电子。

使用激光或灯等能源，科学家和工程师可以将稀土的一个 f 电子激发到激发态，然后让它回到昏睡状态或基态。 “当镧系元素回到基态时，”她说，“它们就会发光。”

德贝当古-迪亚斯说，每种稀土在激发时都会可靠地发出精确波长的光。这种可靠的精度使工程师能够仔细调整许多电子产品中的电磁辐射。例如，铽发出的光波长约为 545 纳米，非常适合构建电视、计算机和智能手机屏幕中的绿色荧光粉。铕有两种常见形式，用于制造红色和蓝色荧光粉。总而言之，这些荧光粉可以在屏幕上绘制出彩虹的大部分色调。

稀土还辐射出有用的不可见光。钇是钇铝石榴石 (YAG) 的关键成分，YAG 是一种合成晶体，构成许多高功率激光器的核心。工程师通过将 YAG 晶体与另一种稀土结合来调整这些激光器的波长。最流行的品种是掺钕 YAG 激光器，其用途广泛，从切割钢材到去除纹身，再到激光测距。铒-YAG 激光束是微创手术的一个不错的选择，因为它们很容易被肉中的水吸收，因此不会切得太深。

左：Xogasus/维基共享资源（抄送-SA 4.0）；右：欧洲央行/Reinhold Gerstetter/Wikimedia Commons

除了激光之外，镧对于制造夜视镜中的红外吸收玻璃也至关重要。 “铒驱动着我们的互联网，”芝加哥大学的分子工程师田忠说。我们的大部分数字信息都以波长约为 1,550 纳米的光通过光纤传播——与铒发出的波长相同。光纤电缆中的信号在远离信号源时会变暗。由于这些电缆可以在海底延伸数千公里，因此在光纤中添加铒来增强信号。

稀土可以制造强大的磁铁

1945年，科学家们建造了(SN：2/23/46，第 14 页118）。 ENIAC 绰号“巨脑”，其重量超过四头大象，占地面积约为网球场的三分之二大小。

不到 80 年后，无处不在的智能手机 — — 其计算能力远超 ENIAC — — 紧紧地握在我们的手掌中。社会将电子技术的小型化在很大程度上归功于稀土的非凡磁力。微小的稀土磁体可以完成与不含稀土的较大磁体相同的工作。

正是那些 f 电子在起作用。稀土元素有许多电子轨道，但 f 电子居住在一个由 7 个轨道组成的特定组中，称为 4f 子壳层。在任何子壳层中，电子都会尝试在内部轨道中扩散。每个轨道最多可容纳两个电子。但由于 4f 子壳层包含 7 个轨道，并且大多数稀土元素的 f 电子数少于 14 个，因此这些元素往往具有多个轨道，且只有一个电子。例如，钕原子拥有四个这样的孤独者，而镝和钐则拥有五个。博伊德说，至关重要的是，这些不成对的电子往往指向或旋转相同的方向。 “这就是产生我们传统上理解的磁力的北极和南极的原因。”

钟说，由于这些孤独的f电子在价电子壳层后面掠过，它们的同步自旋在一定程度上可以免受热和其他磁场等退磁力的影响，这使得它们非常适合制造永磁体。永磁体（例如在冰箱门上悬挂图片的永磁体）会被动地产生由其原子结构产生的磁场，这与电磁体不同，电磁体需要电流并且可以关闭。

但即使有屏蔽，稀土也有其局限性。例如，纯钕很容易腐蚀和断裂，并且其磁力在 80°C 以上开始减弱。爱荷华州艾姆斯国家实验室的理论物理学家 Durga Paudyal 表示，制造商将一些稀土与其他金属制成合金，以制造更具弹性的磁铁。他说，这种方法效果很好，因为一些稀土可以协调其他金属的磁场。正如加重的骰子会优先落在一侧一样，一些稀土元素（如钕和钐）在某些方向上表现出更强的磁性，因为它们的 4f 子壳层中包含不均匀填充的轨道。这种方向性被称为磁各向异性，可以用来协调其他金属（如铁或钴）的磁场，以形成坚固、极其强大的磁铁。

最强大的稀土合金磁铁是钕铁硼磁铁。例如，一块 3 公斤重的钕合金磁铁可以举起 300 公斤以上的物体。全球95%以上的永磁体由这种稀土合金制成。钕铁硼磁铁可以在智能手机中产生振动，在耳塞和耳机中产生声音，可以在硬盘驱动器中读取和写入数据，并产生 MRI 机器中使用的磁场。在这些磁铁中添加一点镝可以提高合金的耐热性，使其成为在许多电动汽车电机的高温内部旋转的转子的不错选择。

钐钴磁铁于 20 世纪 60 年代开发，是最早流行的稀土磁铁。虽然钐钴磁铁的强度稍弱于钕铁硼磁铁，但它具有优异的耐热性和耐腐蚀性，因此它们被用于高速电机、发电机、汽车和飞机的速度传感器以及一些热寻导弹的运动部件。钐钴磁铁也是大多数行波管的核心，可增强来自雷达系统和通信卫星的信号。其中一些管子正在传输来自— 目前最遥远的人造物体 — 距离超过 230 亿公里（SN：21 年 7 月 31 日，第 14 页18）。

由于稀土磁体坚固可靠，因此支持绿色技术。它们存在于电动汽车的电机、传动系统、动力转向系统和许多其他部件中。特斯拉在其续航里程最远的 Model 3 车辆中使用钕合金磁铁引发了供应链担忧；(序列号：1/11/23）。

许多海上风力涡轮机还使用稀土磁体来取代齿轮箱，从而提高效率并减少维护。今年8月，中国工程师推出了世界上第一条基于稀土磁体的磁悬浮列车“彩虹”，使列车能够在不消耗电力的情况下漂浮。

未来，稀土甚至可能推动量子计算的发展。传统计算机使用二进制位（1 和 0），而量子计算机使用量子位，它可以同时占据两种状态。事实证明，含有稀土的晶体可以形成良好的量子位，因为屏蔽的 f 电子可以长时间存储量子信息，钟说。他说，有一天，计算机科学家甚至可能利用量子位中稀土的发光特性在量子计算机之间共享信息并诞生量子互联网。

现在准确预测稀土金属将如何继续影响这些不断发展的技术的扩展可能还为时过早。但可以肯定地说：我们将需要更多稀土。