電磁鐵離我們忽近忽遠(yuǎn)，是我們生活用品、家電的必備品，但是又是很容易被我們忽悠的產(chǎn)品，最近科學(xué)界為磁鐵吶喊了，由于長(zhǎng)年的消耗不可再生資源，導(dǎo)致磁鐵已經(jīng)開始告急了，地球上的磁鐵在慢慢的離開我們。磁鐵是部分電磁鐵必不可少的一個(gè)零部件，磁鐵的告急對(duì)電磁鐵的影響非常深遠(yuǎn)。

我們總是瞧不起磁鐵，”在美國(guó)波士頓的西北大學(xué)開發(fā)出一種新型磁性物質(zhì)的勞拉·劉易斯（Laura Lewis）感嘆道，“人們總以為，‘對(duì)，沒錯(cuò)，連電冰箱里都要用到磁鐵，多大點(diǎn)事兒呀！’”

在劉易斯眼中，磁鐵的故事就完全不同了。永磁體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是電冰箱里的關(guān)鍵部件，或是中學(xué)實(shí)驗(yàn)里那一堆堆難以擺弄的金屬，這些能自身產(chǎn)生出磁場(chǎng)的金屬塊，實(shí)際上是支撐起我們現(xiàn)代生活的很多技術(shù)的核心。

這些技術(shù)中包含了從智能手機(jī)到耳機(jī)這樣的個(gè)人物品，它們纖巧的外形都多虧了內(nèi)部使用的最新一代高效磁鐵。但磁鐵的影響力遠(yuǎn)超于此，“我們的世界運(yùn)行在能量之上：汽車、渦輪機(jī)、電腦、衛(wèi)星，以及各種交通運(yùn)輸，”美國(guó)紐約州羅徹斯特阿諾德磁性技術(shù)公司的斯蒂芬·康斯坦丁尼德斯（Steve Constantinides）解釋道，“這些都需要磁鐵。”

而現(xiàn)在，一個(gè)危機(jī)正在顯現(xiàn)。受到全球?qū)δ芰亏吟沿澢蟮拇碳?，?duì)最優(yōu)質(zhì)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(lái)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(fā)現(xiàn)，自己的工作正受到前所未有的重視。

要制造出一塊好的磁鐵可不容易。19世紀(jì)，經(jīng)典電磁學(xué)理論告訴我們，運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，天然磁鐵的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)則可以驅(qū)動(dòng)電荷。這個(gè)發(fā)現(xiàn)足以讓大量的鐵，自然界最常見的磁性物質(zhì)，成為馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和變壓器這類關(guān)鍵電力技術(shù)的核心，磁芯在這些設(shè)備中存儲(chǔ)能量，將機(jī)械功和電流相互轉(zhuǎn)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(chǎn)生磁場(chǎng)并與磁場(chǎng)相互作用的能力，就得要借助不少20世紀(jì)的物理學(xué)才行。所有這一切都來(lái)自于固體內(nèi)原子中電子的行為。將量子原理和愛因斯坦的相對(duì)論準(zhǔn)則運(yùn)用于這些電子，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)得像一個(gè)個(gè)小磁棒，其指向要么向上，要么向下，取決于電子的自旋數(shù)值。

在大多數(shù)物質(zhì)中，每個(gè)指向的電子數(shù)目各占一半，所以整體不表現(xiàn)出磁效應(yīng)。但是對(duì)某些元素，比如鐵，以及它在元素周期表上的鄰居——鈷和鎳來(lái)說(shuō)，如果所有原子的最外層，也就是參與化學(xué)鍵形成的那些電子，自旋指向相互平行的話，整體能量就會(huì)降低。只要牢牢地將這些電子固定在一個(gè)它們能自由翻轉(zhuǎn)的固體晶格中，然后加上一點(diǎn)磁場(chǎng)，這些元素構(gòu)成的固體就能產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，并一致保持下去。這樣，你就得到了一塊永磁體。

優(yōu)質(zhì)永磁體

沒錯(cuò)，這是一塊永磁體，但這是一塊好磁鐵么？“我有一張優(yōu)質(zhì)磁鐵需要滿足的要求列表，”康斯坦丁尼德斯說(shuō)，“要展開可很長(zhǎng)。”現(xiàn)代的鐵基或者鐵氧體磁鐵，在價(jià)廉和原材料豐富上各有一個(gè)勾，它們的磁性相對(duì)也足夠強(qiáng)，而且抗腐蝕性也獨(dú)占鰲頭，但它們有一個(gè)致命缺點(diǎn)：能量密度太低。這意味著，如果想要強(qiáng)磁場(chǎng)的話，你就要用大得可怕的一堆鐵氧體做成一塊巨型磁鐵?！拌F氧體磁鐵就是又大又沉的大鐵塊，”劉易斯補(bǔ)充道。

對(duì)于工業(yè)界或是大型動(dòng)力機(jī)組中使用的粗重機(jī)械而言，這也還過(guò)得去。但在如今這個(gè)精雕細(xì)琢的電子時(shí)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(lái)呢？固體材料中大量的電子和它們之間的自旋相互作用過(guò)于復(fù)雜了，理論物理學(xué)家想要精確判斷它們的行為，簡(jiǎn)直毫無(wú)勝算。因此，制造更優(yōu)良磁鐵很大程度上都依賴于冶金學(xué)家的黑暗魔法：混合各種可能的元素，然后放入磁場(chǎng)，看命運(yùn)之輪會(huì)如何變化。

這種神農(nóng)嘗百草的方法一直屢試不爽。20世紀(jì)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(jì)70年代發(fā)現(xiàn)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(dú)立成區(qū)，無(wú)一例外都能貢獻(xiàn)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(chǔ)能甚至比鋁－鈷－鎳磁鐵還要高一倍。

當(dāng)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(jì)90年代之前，這些釹系磁鐵得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以至于指甲蓋那么大一塊磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，比整個(gè)地球鐵質(zhì)核心的磁場(chǎng)還要強(qiáng)數(shù)千倍?！笆覝叵拢S磁鐵是我們目前所知的最強(qiáng)磁鐵，”康斯坦丁尼德斯如此評(píng)論道。

問(wèn)題就出在這個(gè)“室溫下”。早期的釹磁有個(gè)令人討厭的缺陷——熱擾動(dòng)總是會(huì)破壞那些小心翼翼排列好的自旋，令磁鐵退磁，并在超過(guò)100℃時(shí)完全喪失磁性。但是，只需要稍加打造，一個(gè)現(xiàn)成的修補(bǔ)方案就在眼前：要想得到一個(gè)熱力學(xué)更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，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(lái)了一場(chǎng)磁場(chǎng)革命。從汽車中的動(dòng)力輸送，到讓硬盤、CD和DVD盤片高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)；從揚(yáng)聲器和耳機(jī)中將電流脈沖轉(zhuǎn)換成聲響的振膜，到醫(yī)學(xué)磁共振成像（MRI）中所需的超高密度磁場(chǎng)——但凡需要用最小體積產(chǎn)生最大磁場(chǎng)的地方，都會(huì)閃現(xiàn)出釹磁的身影。截至2010年，盡管好用實(shí)惠的鐵氧體磁鐵在重量上仍占據(jù)銷售比例的大頭，但從銷售總價(jià)上看，釹基磁鐵比其它所有磁鐵都多1到2倍。

但禍隨福至?！扳S磁被發(fā)明出來(lái)時(shí)，人們就覺得它好得是不是有點(diǎn)太過(guò)頭了，”美國(guó)愛荷華州立大學(xué)的磁學(xué)研究者威廉姆·麥卡勒姆（William McCallum）解釋道，“它對(duì)稀土元素的需求，甚至超過(guò)了后者的儲(chǔ)量?！?/p>

稀土元素實(shí)際上并不稀有，總共約占地球表層的百萬(wàn)分之幾，但它們很難探尋。過(guò)去的幾十年來(lái)，全球幾乎所有的供應(yīng)都來(lái)自中國(guó)的稀土礦藏。但中國(guó)需要這些元素來(lái)滿足自己的經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)需求，近來(lái)已經(jīng)開始對(duì)稀土課以很高的出口關(guān)稅——正值全球?qū)ο⊥燎笾艨实漠?dāng)口。