稀有怪異的“金屬群”

竇光宇

在2008年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，來(lái)自北京大學(xué)的徐光憲院士，因在稀土材料研究方面成績(jī)卓著而獲得國(guó)家最高科技獎(jiǎng)。對(duì)于徐光憲院士，本刊讀者并不陌生，因?yàn)樗鵀楸究?，介紹21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)的前沿問(wèn)題以及今天化學(xué)家的任務(wù)，其中重要的就是要在材料科學(xué)領(lǐng)域找到突破口，開發(fā)出新型稀土功能材料。“稀土”這種材料究竟有什么神奇的魔力呢?

稀土金屬是一類稀有礦物的總稱，指化學(xué)元素周期袁中的锎系元素，其中包括：鑭(La)、鈰(ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系15個(gè)元素密切相關(guān)的2個(gè)元素：鈧(sc)和釔(Y)，加在一起總共有17種金屬元素。

稀土金屬是從瑞典開采出來(lái)的一些比較稀少的礦物中被發(fā)現(xiàn)的，“土”是按當(dāng)時(shí)的習(xí)慣指不溶于水的物質(zhì)，將兩者結(jié)合在一起故稱“稀土”。根據(jù)稀土金屬原子電子層結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)以及它們?cè)诘V物中共生情況的不同，17種稀土金屬通常被分為兩組。一組是輕稀土(又稱鈰組)，包括：锎、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓；另一組是重稀土(又稱釔組)，包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。這兩組稀土金屬之所以稱鈰組或釔組，是因?yàn)榈V物經(jīng)分離得到的稀土混合物中，常以鈰或釔占優(yōu)勢(shì)，分類名稱也由此而來(lái)。

稀土元素通常在地殼中聚集出現(xiàn)，它們的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)又比較接近，所以，對(duì)稀土元素的分離非常困難。稀土元素的提純成為化學(xué)研究中的一個(gè)巨大難點(diǎn)。從1794年芬蘭人加多林最先分離出釔，到1947年美國(guó)人馬林斯基等人最后制得钷，對(duì)這17種稀土元素的逐一完全提純，總共經(jīng)歷了150多年。

稀土元素的電子能級(jí)極為豐富，因此，具有十分豐富的光、電、磁等性能。稀土元素化合物的配位數(shù)可在3～12的范圍內(nèi)變化，而利用增加和減少配位數(shù)的方法催化反應(yīng)的進(jìn)行，正是催化劑的工作原理。因此，許多稀土元素都可以做為理想的催化劑，起到“點(diǎn)石成金”的作用。

目前，世界上發(fā)現(xiàn)的稀土礦物約有250種，但具有工業(yè)價(jià)值的稀土礦物只有50～60種；其中，具有開采價(jià)值的更少，只有10種左右。世界稀土資源的擁有國(guó)，只有中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、加拿大、澳大利亞等少數(shù)國(guó)家。我國(guó)的稀土資源占世界的41.36％，探明的儲(chǔ)量居世界之首。現(xiàn)在，中國(guó)生產(chǎn)的高純度稀土已占世界產(chǎn)量的80％以上。比較著名的產(chǎn)地有白云鄂博稀土礦、山東微山稀土礦、冕寧稀土礦等。

增進(jìn)健康的“好幫手”

近年來(lái)，對(duì)稀土在醫(yī)藥方面的研究應(yīng)用，正在不斷深入和擴(kuò)展，對(duì)增強(qiáng)人體健康起到了十分有益的作用。

早在20世紀(jì)70年代初期，稀土熒光粉就被用于X射線增感屏。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，國(guó)內(nèi)已用稀土元素鑭或銪，生產(chǎn)出性能更加優(yōu)異的感光屏，提高了動(dòng)態(tài)臟器投照的清晰度和診斷水平。照射時(shí)間僅為鎢屏的1／3～1／4，從而降低對(duì)病人的輻射劑量。同時(shí)，還延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命，節(jié)約了能源。

在核磁共振影像診斷中，稀土元素可以作為圖象對(duì)比度增強(qiáng)劑，更好地改善大腦、腎、肝、胃腸道等器官圖像，增強(qiáng)核磁共振影像。而且它們無(wú)毒，很快就可以經(jīng)尿液排出體外。

研究發(fā)現(xiàn)，一定劑量的混合稀土或單一稀土元素對(duì)多種腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)有抑制作用。稀土還可以增強(qiáng)抑癌基因表述，提高抗腫瘤免疫功能和抗氧化功能，為今后把稀土用于腫瘤治療開發(fā)出新的領(lǐng)域。

低濃度稀土化合物具有抑菌、殺菌作用，現(xiàn)已得到證實(shí)。例如，0.25％～0.5％的硝酸鈰、硫酸鈰溶液對(duì)綠膿桿菌、金色葡萄球菌、肺炎桿菌、奇異變形桿菌、糞鏈球菌、大腸桿菌等有強(qiáng)烈的殺菌作用。當(dāng)它們作為治療燒傷藥物使用時(shí)，對(duì)燒傷的創(chuàng)面有較強(qiáng)的殺菌作用，還可防止燒傷后肌體的免疫抑制作用。

社會(huì)發(fā)展的“維生素”

稀土元素雖然不像鐵、硅、鍺等元素那樣在社會(huì)發(fā)展的某一方面起到擔(dān)綱作用，但它們的用途十分廣泛，冶金、石油、化工、輕紡、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等無(wú)所不包。就像人體健康成長(zhǎng)所需要的維生素一樣，對(duì)社會(huì)發(fā)展也起到必不可少的推動(dòng)作用。

在一些傳統(tǒng)產(chǎn)品中加入適量的稀土，就會(huì)產(chǎn)生許多神奇的效果。以彩電為代表的家電產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用了含有稀土的熒光、拋光、功能陶瓷、玻璃添加劑等多種功能材料，不僅帶動(dòng)了20世紀(jì)80年代稀土材料的開發(fā)應(yīng)用，也為這些產(chǎn)品的升級(jí)換代起到了關(guān)鍵作用。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以計(jì)算機(jī)為代表的電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，稀土材料便更有用武之地了。

由于稀土元素在光、磁、電領(lǐng)域能夠產(chǎn)生特殊的能量轉(zhuǎn)換、傳榆、存儲(chǔ)功能，因此，科學(xué)家通過(guò)對(duì)稀土原料的加工，相繼開發(fā)出了稀土永磁材料、稀土發(fā)光材料、稀土激光材料、稀土貯氫材料、稀土光纖材料、稀土磁廣存儲(chǔ)材料、稀土超導(dǎo)材料和稀土原子能材料等等，為世界高新技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。其中，稀土永磁材料就是一個(gè)很突出的代表。它的磁性可以高出普通永磁材料的4～10倍。其中，釹鐵硼永磁體是目前發(fā)現(xiàn)的磁性能最高的永磁材料，被稱為超級(jí)磁體和當(dāng)代永磁之王，現(xiàn)已應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、磁碟機(jī)、電腦光碟、傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等設(shè)備中。由于此類材料具有超乎尋常的功能，使電手信息設(shè)備在不斷提高性能的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了輕、薄、小型化。稀土永磁材料還在各類電機(jī)、核磁共振儀器、磁懸浮列車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并被確定為電動(dòng)汽車主發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料。

稀土貯氫材料貯存密度大于液氫，體積卻只有普通鋼瓶的六分之一。目前應(yīng)用最為成功的是鎳氫電池，其等體積充電容量是目前廣泛使用的鎳鎘電池的兩倍，而且沒(méi)有記憶效應(yīng)和鎘污染；與鋰離子電池相比，具備價(jià)格低、安全性能好的優(yōu)勢(shì)，被各國(guó)科技和產(chǎn)業(yè)界稱為“綠色電池?，已大量應(yīng)用于便攜式電器、移動(dòng)電話等無(wú)線電子設(shè)備，并可望成為電動(dòng)汽車的電源。

稀土金屬容易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點(diǎn)高的化合物，因此在鋼水中加入稀土金屬，可以起到凈化鋼的效果。由于稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大，很容易填補(bǔ)在其晶粒及缺陷中，并生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長(zhǎng)的膜，從而使晶粒細(xì)化而提高鋼的性能。稀土鋼能顯著提高鋼的耐磨性、耐磨蝕性和韌性。稀土鋁盤條能在縮小鋁線細(xì)度的同時(shí)提高其強(qiáng)度和導(dǎo)電率。

稀土元素的離子可以與羥基、偶氮基或磺酸基等形成化合物，從而使稀土廣泛用于印染行業(yè)。某些稀土元素如釤、銪、釓、鏑和鉺，具有中子俘獲截面積大的特性，可用作原子能反應(yīng)堆的控制材料和減速劑；而鈰、釔的中子俘獲截面積小，則可作為反應(yīng)堆燃料的稀釋劑。稀土還具有類似微量元素的性質(zhì)，可以促進(jìn)農(nóng)作物的種子萌發(fā)，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，促進(jìn)植物的光合作用，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也有著重要作用。

在生活中，我們每天也都會(huì)與稀土材料打交道。目前，汽車尾氣凈化催化劑是稀土應(yīng)用量最大的項(xiàng)目之一。計(jì)算機(jī)顯示器及各種電子顯示屏和熒光燈，都離不開稀土熒光材料。稀土氧化物可以用于制造各式各樣的特種玻璃。比如，含稀土元素鑭的玻璃是一種具有優(yōu)良光學(xué)性質(zhì)的玻璃，這種玻璃具有高的折射率、低的色散和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可用于制造高級(jí)照相機(jī)的鏡頭和潛望鏡的鏡頭。稀土氧化物還可以用于制造彩色玻璃：加入釹可使玻璃變成酒紅色；加入鐠可使玻璃變成綠色；加入鉺可使玻璃變成粉紅色。這些彩色玻璃色澤變幻莫測(cè)，可以用來(lái)制造裝飾品，裝點(diǎn)人們的生活。