稀有的“高科技金屬”

　　你是否認(rèn)識(shí)這些生僻的字：釕、銠、鈀、鋨……它們都屬于鉑族金屬。這些金屬以其特別可貴的性能和資源珍稀而著稱，廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、兵器、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等領(lǐng)域，被譽(yù)為“第一高技術(shù)金屬”和戰(zhàn)略金屬，它們的使用量是一國(guó)工業(yè)水平、高新技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的標(biāo)志。
　　
　　鉑族金屬——汽車尾氣凈化的高手
　　
　　鉑族金屬由于具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性(除王水外不溶于任何酸、堿)和催化活性，在氫化、脫氫、異構(gòu)化、環(huán)化、脫水、脫鹵、氧化、裂解等化學(xué)反應(yīng)中均可作為催化劑，如今更多用于汽車尾氣凈化。汽車尾氣排放已成為我國(guó)大、中城市的主要污染源之一。加強(qiáng)對(duì)汽車尾氣排放的控制，改善大氣環(huán)境質(zhì)量已刻不容緩。催化凈化是控制汽車尾氣排放最為有效的手段之一。國(guó)外通常采用以鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等貴金屬為主的汽車尾氣催化凈化器。
　　尾氣催化器，是一種安裝在汽車排氣系統(tǒng)內(nèi)的裝置，它的作用是減少引擎燃燒后所排出的有害廢氣。由于汽車所排放的廢氣中含有一氧化碳、氮氧化合物與碳?xì)浠衔铮@些物質(zhì)會(huì)使得空氣質(zhì)量不斷惡化，尤其是氮氧化合物與碳?xì)浠衔铮?jīng)由陽(yáng)光照射后很容易生成光化學(xué)煙霧，造成嚴(yán)重的空氣污染，進(jìn)而危害人們的呼吸系統(tǒng)。
　　為了解決這一問題，汽車尾氣催化器應(yīng)運(yùn)而生。1970年，尾氣催化器開始應(yīng)用在汽車上，由于催化器內(nèi)含鉑、鈀和銠等金屬，當(dāng)引擎排出的廢氣經(jīng)過催化器時(shí)，鉑催化劑會(huì)促使碳?xì)浠衔锱c一氧化碳氧化生成水蒸氣和二氧化碳，銠催化劑會(huì)使氮氧化合物還原為氮?dú)夂脱鯕猓瑥亩_(dá)到降低廢氣中一氧化碳及碳?xì)浠衔锱欧艥舛鹊哪康?，最終使得汽車尾氣排放符合法規(guī)要求。
　　由于日益嚴(yán)厲的環(huán)保要求和不斷增大的汽車市場(chǎng)需求，鉑金屬市場(chǎng)行情看漲。2010年全球汽車尾氣凈化催化劑的鉑金需求增長(zhǎng)了37％，達(dá)到92.8噸。
　　
　　鈀——制造比鋼鐵還堅(jiān)硬的玻璃
　　
　　玻璃的堅(jiān)固和強(qiáng)度能超過鋼鐵么?似乎不可能，但美國(guó)研究人員最近研制出一種堪稱“牢不可破”的新型容損金屬玻璃，其堅(jiān)固程度已經(jīng)超過鋼鐵。他們的秘訣是在這種新型金屬玻璃中加入了一些微量的鈀元素，鈀這種金屬具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損特性以及極強(qiáng)的伸展性，由此抵消了玻璃材料不可避免的脆弱易碎性。
　　這種新型金屬玻璃由美國(guó)能源部伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)所和加州理工大學(xué)研究人員聯(lián)合研制，由鈀、磷、硅、鍺和銀5種元素混合而成，其中磷、硅、鍺和銀構(gòu)建新型玻璃的強(qiáng)度，鈀則可增強(qiáng)玻璃的可塑性，防止裂縫擴(kuò)展。這一組合有效克服了韌性材料不牢固、堅(jiān)硬材料則易碎的毛病，使新材料既有強(qiáng)度又有韌性(這種融合被稱為容損)。這種玻璃承受壓力時(shí)有超強(qiáng)的可塑性，可以發(fā)生彎曲卻不會(huì)破裂，其容損性能已經(jīng)超出了目前任何已知的材料。
　　
　　釕——在太陽(yáng)能電池行業(yè)大顯身手
　　
　　美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種罕見的金屬，能夠吸收陽(yáng)光并以熱量的形式無限期存儲(chǔ)，需要的時(shí)候還可以將存儲(chǔ)的熱量釋放。這一發(fā)現(xiàn)為研制下一代太陽(yáng)能裝置鋪平了道路，即能夠利用太陽(yáng)能并且可以無限期存儲(chǔ)熱量。
　　這種含有鉑族金屬釕的罕見金屬被稱為“二釕富瓦烯”。吸收陽(yáng)光時(shí)，二釕富瓦烯的分子會(huì)改變形狀，能夠無限期存儲(chǔ)熱量，借助于一種催化劑，它們又可以恢復(fù)到最初形態(tài)，同時(shí)釋放出所儲(chǔ)存的巨大熱量。
　　當(dāng)前我們所使用的絕大多數(shù)太陽(yáng)能裝置，能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化成電能或者熱量，但它們無法將暫時(shí)不用的能量存儲(chǔ)起來，而使用二釕富瓦烯制成的燃料釋放熱量時(shí)，溫度可達(dá)到200℃。這種方式被稱之為“熱化學(xué)方式”，效率遠(yuǎn)高于常規(guī)太陽(yáng)能系統(tǒng)，因?yàn)楹笳咝枰褂媒^緣材料，讓熱量逐漸釋放。
　　2010年10月25日，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員宣布，他們精確地揭示了二釕富瓦烯分子的工作原理。這將有助于科學(xué)家研發(fā)出存儲(chǔ)和釋放熱能而不是電能的新型電池。從原理上講，使用二釕富瓦烯制造的電池可按需存儲(chǔ)和釋放熱能。二釕富瓦烯來自于釕，釕是一種罕見而昂貴的白色硬金屬元素，全球每年開采的釕大約只有12噸，數(shù)量極為稀少。
　　
　　銥——自旋新材料中不可或缺
　　
　　美國(guó)能源部阿爾貢先進(jìn)光源(APS)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，一種含有鉑族金屬元素銥的氧化材料，受到銥原子核外電子相互作用的控制，顯示出非同尋常的性質(zhì)。該研究成果發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上。新發(fā)現(xiàn)將給半導(dǎo)體納米電子學(xué)和信息技術(shù)領(lǐng)域帶來新氣象。
　　該研究由阿爾貢APS國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、肯塔基大學(xué)、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及北伊利諾伊州立大學(xué)聯(lián)合開展，研究人員本來認(rèn)為，銥在5d層的電子波會(huì)和鄰位有很強(qiáng)的重疊型并被“綁”在了一起，再加上一個(gè)來自氧離子的強(qiáng)大晶體場(chǎng)圍繞著銥離子，5d層電子的角動(dòng)量和自旋軌道相互作用幾乎會(huì)“被消滅掉”。這次研究卻發(fā)現(xiàn)，5d層電子存在很大的軌道角動(dòng)量，約是它們自旋角動(dòng)量的3倍，由此在銥原子中形成很強(qiáng)的自旋軌道耦合。
　　由于固體性質(zhì)由其組成原子的外層價(jià)電子所決定，如由相鄰原子的電子云重疊而形成的晶體場(chǎng)等強(qiáng)相互作用。但當(dāng)固體中自旋軌道相互作用力起重要作用時(shí)，就會(huì)顯示出有趣的性質(zhì)：如在含有稀土的永磁體材料中，位于4f層的電子引起的磁性，會(huì)被材料中相鄰電子不同能級(jí)上的相互作用所屏蔽。它們的自旋軌道耦合時(shí)，自旋對(duì)稱被打破，將4fN的磁性運(yùn)動(dòng)固定到特定的晶格方向，由此產(chǎn)生了很強(qiáng)的永磁效果。
　　研究人員稱，與砷化鎵相比，弱絕緣性的三氧化鋇銥自旋軌道相互作用更強(qiáng)，過渡金屬氧化物的自旋軌道特征可能更加適于制造自旋控制設(shè)備。
　　作為下一代自旋電子設(shè)備，自旋晶體管有著巨大的應(yīng)用前景。自旋晶體管是一種輸出電壓依賴于電子自旋方向的器件，采用自旋晶體管特別有利于電路微型化。不僅如此，自旋晶體管在信息技術(shù)領(lǐng)域也有著潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值。目前，電腦的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器一般采用半導(dǎo)體制成，在斷電后其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就會(huì)消失，系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)需要從硬盤重新載入數(shù)據(jù)，相當(dāng)耗時(shí)。如果使用自旋晶體管制作動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，可以在斷電后依然保存數(shù)據(jù)，從而大幅縮短電腦啟動(dòng)時(shí)間。
　　開發(fā)自旋晶體管需要找到具有大量電子自旋軌道的新型材料。由于自旋軌道的相互作用是隨著原子數(shù)量增加而迅速增加的，含有重元素的材料就成為該領(lǐng)域的最佳候選者。
　　此外，銥還被用來制造觸摸顯示屏。如今，在各種手持消費(fèi)電子設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備、自動(dòng)售貨機(jī)／售票機(jī)／自動(dòng)柜員機(jī)(ATM機(jī))、銷售終端(POS機(jī))，工業(yè)和過程控制設(shè)備中都可以看到觸摸顯示屏。而觸屏顯示器中就有銥氧化物的身影。
　　
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