優(yōu)質的磁鐵資源現(xiàn)在還缺乏嗎?
電磁鐵離我們忽近忽遠,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,最近科學界為磁鐵吶喊了,由于長年的消耗不可再生資源,導致磁鐵已經(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零部件,磁鐵的告急對電磁鐵的影響非常深遠。
我們總是瞧不起磁鐵,”在美國波士頓的西北大學開發(fā)出一種新型磁性物質的勞拉·劉易斯(Laura Lewis)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(chǎn)生出磁場的金屬塊,實際上是支撐起我們現(xiàn)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(wèi)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(Steve Constantinides)解釋道,“這些都需要磁鐵。”
而現(xiàn)在,一個危機正在顯現(xiàn)。受到全球對能量饕餮貪求的刺激,對最優(yōu)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(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,經(jīng)典電磁學理論告訴我們,運動的電荷會產(chǎn)生磁場,天然磁鐵的磁場反過來則可以驅動電荷。這個發(fā)現(xiàn)足以讓大量的鐵,自然界最常見的磁性物質,成為馬達、發(fā)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)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(shù)值。
在大多數(shù)物質中,每個指向的電子數(shù)目各占一半,所以整體不表現(xiàn)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(chǎn)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(yōu)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(yōu)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?!爆F(xiàn)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?!拌F氧體磁鐵就是又大又沉的大鐵塊,”劉易斯補充道。
對于工業(yè)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(yōu)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(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立成區(qū),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(fā)展,以至于指甲蓋那么大一塊磁鐵產(chǎn)生的磁場,比整個地球鐵質核心的磁場還要強數(shù)千倍?!笆覝叵拢S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(xiàn)成的修補方案就在眼前:要想得到一個熱力學更加穩(wěn)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(yī)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(chǎn)生最大磁場的地方,都會閃現(xiàn)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(jù)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?!扳S磁被發(fā)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(William McCallum)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(jīng)濟和消費需求,近來已經(jīng)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。