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news 理查德·韋伯:磁鐵不夠用?中國拯救世界

文章来源:由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://www.guancha.cn/Richard-Webb/2014_03_07_207346.shtml"

2014-03-0710:15:07字號:A-AA+來源:果殼網關鍵字:能源磁鐵新型磁性物質永磁鐵稀土元素我們總是瞧不起磁鐵,在美國波士頓的西北大學開發出一種新型磁性物質的勞拉劉易斯(LauraLewis)感嘆道,人們總以為,對,沒錯,連電冰箱里都要用到磁鐵,多大點事兒呀!在劉易斯眼中,磁鐵的故事就完全不同了。永磁體遠遠不止是電冰箱里的關鍵部件,或是中學實驗里那一堆堆難以擺弄的金屬,這些能自身產生出磁場的金屬塊,實際上是支撐起我們現代生活的很多技術的核心。這些技術中包含了從智能手機到耳機這樣的個人物品,它們纖巧的外形都多虧了內部使用的最新一代高效磁鐵。但磁鐵的影響力遠超于此,我們的世界運行在能量之上:汽車、渦輪機、電腦、衛星,以及各種交通運輸,美國紐約州羅徹斯特阿諾德磁性技術公司的斯蒂芬康斯坦丁尼德斯(SteveConstantinides)解釋道,這些都需要磁鐵。而現在,一個危機正在顯現。受到全球對能量饕餮貪求的刺激,對最優質磁鐵的需求正匯聚成一股暗涌的洪流。麻煩在于,我們不知道從哪才能弄來這么多磁鐵。突然之間,康斯坦丁尼德斯、劉易斯和他們的同行們發現,自己的工作正受到前所未有的重視。磁鐵是日常通訊、交通,甚至能源體系中的重要原料。然而,這種資源快要不夠用了。要制造出一塊好的磁鐵可不容易。19世紀,經典電磁學理論告訴我們,運動的電荷會產生磁場,天然磁鐵的磁場反過來則可以驅動電荷。這個發現足以讓大量的鐵,自然界最常見的磁性物質,成為馬達、發電機和變壓器這類關鍵電力技術的核心,磁芯在這些設備中存儲能量,將機械功和電流相互轉化,直到今天依然如此。但要解釋磁鐵這樣的永磁體如何獲得產生磁場并與磁場相互作用的能力,就得要借助不少20世紀的物理學才行。所有這一切都來自于固體內原子中電子的行為。將量子原理和愛因斯坦的相對論準則運用于這些電子,你就會發現它們表現得像一個個小磁棒,其指向要么向上,要么向下,取決于電子的自旋數值。在大多數物質中,每個指向的電子數目各占一半,所以整體不表現出磁效應。但是對某些元素,比如鐵,以及它在元素周期表上的鄰居鈷和鎳來說,如果所有原子的最外層,也就是參與化學鍵形成的那些電子,自旋指向相互平行的話,整體能量就會降低。只要牢牢地將這些電子固定在一個它們能自由翻轉的固體晶格中,然后加上一點磁場,這些元素構成的固體就能產生自己的磁場,并一致保持下去。這樣,你就得到了一塊永磁體。優質永磁體沒錯,這是一塊永磁體,但這是一塊好磁鐵么?我有一張優質磁鐵需要滿足的要求列表,康斯坦丁尼德斯說,要展開可很長。現代的鐵基或者鐵氧體磁鐵,在價廉和原材料豐富上各有一個勾,它們的磁性相對也足夠強,而且抗腐蝕性也獨占鰲頭,但它們有一個致命缺點:能量密度太低。這意味著,如果想要強磁場的話,你就要用大得可怕的一堆鐵氧體做成一塊巨型磁鐵。鐵氧體磁鐵就是又大又沉的大鐵塊,劉易斯補充道。這樣的馬蹄形磁鐵,大都是鐵氧體磁鐵。它們的特點是廉價和原料豐富,缺點在于做不到足夠小巧而又有足夠強的磁性。對于工業界或是大型動力機組中使用的粗重機械而言,這也還過得去。但在如今這個精雕細琢的電子時代,我們需要身形更為玲瓏的磁鐵。但如何才能造出這樣的磁鐵來呢?固體材料中大量的電子和它們之間的自旋相互作用過于復雜了,理論物理學家想要精確判斷它們的行為,簡直毫無勝算。因此,制造更優良磁鐵很大程度上都依賴于冶金學家的黑暗魔法:混合各種可能的元素,然后放入磁場,看命運之輪會如何變化。這種神農嘗百草的方法一直屢試不爽。20世紀30年代合成的鋁-鈷-鎳磁鐵,能量密度就是最好的鐵氧體磁鐵的兩倍。但真正的突破還是以上世紀70年代發現鑭系元素或者叫稀土元素的磁性潛力為開端的。這些元素在元素周期表上總是獨立成區,無一例外都能貢獻大量自旋相互平行織連成片的電子。用鈷和稀土元素釤的混合物做出的磁鐵,儲能甚至比鋁-鈷-鎳磁鐵還要高一倍。當然,選秀中的最大明星還要屬由稀土元素釹加上鐵和硼制成的磁鐵。在上世紀90年代之前,這些釹系磁鐵得到了突飛猛進的發展,以至于指甲蓋那么大一塊磁鐵產生的磁場,比整個地球鐵質核心的磁場還要強數千倍。室溫下,釹磁鐵是我們目前所知的最強磁鐵,康斯坦丁尼德斯如此評論道。問題就出在這個室溫下。早期的釹磁有個令人討厭的缺陷熱擾動總是會破壞那些小心翼翼排列好的自旋,令磁鐵退磁,并在超過100℃時完全喪失磁性。但是,只需要稍加打造,一個現成的修補方案就在眼前:要想得到一個熱力學更加穩定的結構,只需將很少一部分釹原子,百分之幾即可,替換成它更重的同伴鏑。最終,這帶來了一場磁場革命。從汽車中的動力輸送,到讓硬盤、CD和DVD盤片高速旋轉的馬達;從揚聲器和耳機中將電流脈沖轉換成聲響的振膜,到醫學磁共振成像(MRI)中所需的超高密度磁場但凡需要用最小體積產生最大磁場的地方,都會閃現出釹磁的身影。截至2010年,盡管好用實惠的鐵氧體磁鐵在重量上仍占據銷售比例的大頭,但從銷售總價上看,釹基磁鐵比其它所有磁鐵都多1到2倍。但禍隨福至。釹磁被發明出來時,人們就覺得它好得是不是有點太過頭了,美國愛荷華州立大學的磁學研究者威廉姆麥卡勒姆(WilliamMcCallum)解釋道,它對稀土元素的需求,甚至超過了后者的儲量。稀土元素實際上并不稀有,總共約占地球表層的百萬分之幾,但它們很難探尋。過去的幾十年來,全球幾乎所有的供應都來自中國的稀土礦藏。但中國需要這些元素來滿足自己的經濟和消費需求,近來已經開始對稀土課以很高的出口關稅正值全球對稀土求之若渴的當口。貪婪的綠色這次緊缺的源頭,并非個人消費電子。你看到的每一臺電腦,里面都有大約50克磁鐵,麥卡勒姆說道。而對于數百萬臺這樣的設備而言,所需磁鐵的總量就非常可觀了。但這與眼下綠色能源技術所吞噬的磁鐵相比,只是小巫見大巫。風力發電機、電動汽車和電動自行車中的馬達必須強大而且輕巧,只有釹磁才能二者得兼。每輛電動汽車中的馬達都需要大約2千克釹磁;而一座能輸出百萬千瓦電能的風力發電機,則需要大約23噸。僅風力發電機一項,就會讓磁鐵需求在2010到2015年之間攀升7倍。預計到2015年,全球產業界對磁鐵的需求可能就會造成供不應求的局面。(圖片來源:《新科學家》)通過重新開啟美國加州關隘山的礦井,以及在澳大利亞新開礦井,稀土的這種短缺可以得到部分緩解,但這也只是杯水車薪而已。電動汽車、風力發電機或是任何馬達轟鳴的地方,運行溫度都很高,這意味著需要往釹磁中摻入大量鏑才能確保磁性穩定。而鏑恰恰是美國和澳大利亞礦井中缺乏的稀土元素,這東西只在中國礦井中富足。因此,業界對新型超級磁鐵的需求已經越來越迫切了。在美國,能源部作為先鋒已經開始倡導研發新型磁鐵。被縮稱為反擊(React)的關鍵技術中稀土替代品(RareEarthAlternativesinCriticalTechnologies)項目由14個不同的小組構成,總投入為2200萬美元,目標是研發出所需稀土元素更少的磁鐵,完全不用最好。劉易斯的小組就是其中之一,他們正試圖用鐵和鎳的混合物來進一步壓榨高端磁鐵的性能。通常,當你將兩種有磁性潛力的元素混合在一起,他們反倒會退化成一些隨機晶格結構,從而讓自旋平行更難實現。不過有個例外,就是名為四方鎳紋石(tetrataenite)的礦物結構,其中的鐵和鎳原子形成規整的層狀結構,具有很強的磁化傾向。在通常的時間尺度上,固體結構中的原子不太可能自然融合成如此規整的構形。實際上,四方鎳紋石并不是地球上的地質產物,目前所知的天然樣本都來自十幾塊隕石。他們從很大、很大、很大的小行星中分離出來,花了十數億年才冷卻成目前的結構,劉易斯解釋道。我們可等不了十億年。劉易斯的工作就是努力使熔合的鐵和鎳原子快速形成這種結構,通過加入不同的雜質來引導它們進入合適的排列。其實就是絞盡腦汁騙過這兩種原子,讓它們認為不需經過時間的考驗也能形成穩固的婚姻,劉易斯打趣道。這是個大膽的設想。不過用麥卡勒姆的話來說,反擊項目中每個小組都堪稱是獨幕、兩幕或三幕的奇跡劇,他接著說,劉易斯必須想辦法將永恒濃縮成一分鐘或一小時,這就是她要達成的奇跡。而麥卡勒姆自己的奇跡則是,讓鈰帶上磁場。盡管鈰是稀土金屬,但在關隘山的礦藏中它卻豐盛有余,約占該礦稀土元素總重量的一半。如果成功了,整個稀土產業經濟將因此改觀,麥卡勒姆憧憬著未來。但有個問題橫亙眼前,每個鈰原子都有一個能改變自旋指向形成磁性的單電子,但是一旦將它和結構中的其它成分綁定在一起,鈰原子就會貢獻出這個電子,因此它的磁性高度不穩定,特別是在某些關鍵的高溫范圍之內。麥卡勒姆的工作主要是,通過向結構中加入一些足夠鐵面的元素原子,讓鈰原子有禮送不出。不過即便可行,鈰也不可能像釹那樣大放異彩,好在它也并未肩負這個重任。他解釋說,看一下稀土金屬磁鐵和非稀土金屬磁鐵的區別,真可謂天懸地隔。因此,任何由非罕見材料制成的磁鐵,只要能在這個空檔區中占據一席之地,都會先讓鏑退燒,然后讓釹降溫。康斯坦丁尼德斯也有個類似的目標。我們沒必要替代釹,他也這么認為,我們要做的是找到一些材料,價格、性能與之互補。他的公司正在開展兩項廣泛的嘗試。一是用高性能計算來剔除鋁-鎳-鈷這樣的現有非稀土元素磁鐵的短板。另一個被他描述為開荒策略,就是用復雜的算法在自然界有限的磁性物質庫中進行海選,通過分析來尋找下個巨星。康斯坦丁尼德斯說:鎳、鐵和鈷已是戰功卓著,問題在于我們能不能找到更睿智的組合,讓這些元素更加鋒芒畢露。不過,他并未奢望速戰速決,它需要的每秒浮點運算數(Flops)需以太(Tera,萬億次)記。與此同時,美國里士滿弗吉尼亞州立邦聯大學的埃弗里特卡彭特(EverettCarpenter)和他的小組,正在考察一個更不可能的候選者:碳。石墨和鉆石可都不以磁性見長,而且往鐵中加入碳做成的鋼,磁性會被削弱。但是,將微小的含碳納米顆粒和其它元素綁定起來,得到的結果就大為不同。我們實際上能增強材料的磁性,卡彭特說道,而且是大大增強。他認為,這類磁鐵也許最終能百煉成鋼,擊敗釹磁,而且價格要便宜得多。目前最重要的問題就是,如何讓這些微小的磁鐵生長成合適的尺寸。眼下,無論是卡彭特還是反擊項目的其它任何一個團隊,都不敢聲稱自己取得了突破。那么劉易斯覺得她有幾成勝算呢?哦,我們組啊,很小,她笑道。不過,考慮到磁鐵對我們現代電氣化生活的支撐作用,我們所有人都應該祈禱奇跡發生。哪怕是發現一線希望,都可能驚天動地。(原文載于《新科學家》雜志2012年10月27日刊[總第2888期],原標題:Lossofattraction:Wererunningoutofmagnets;kingmagic譯)

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