被稱為新材料之母 稀土為什么這么牛

小到手機屏幕、數(shù)碼相機，大到導(dǎo)彈、雷達、潛艇，稀土無處不在。作為不可再生的稀缺性戰(zhàn)略資源，它有“工業(yè)維生素”“新材料之母”之稱，廣泛應(yīng)用于尖端科技領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域。

作為不可再生的稀缺性戰(zhàn)略資源，它有“工業(yè)維生素”“新材料之母”之稱，廣泛應(yīng)用于尖端科技領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域。

在煉鋼過程中，僅需在鋼中加入少量稀土，就能使原本優(yōu)質(zhì)的鋼變得更加“堅強”，提高其使用壽命。

在軍事領(lǐng)域，稀土能夠大幅度提高武器裝備的合金戰(zhàn)術(shù)性能，如海灣戰(zhàn)爭中，加入稀土元素鑭的夜視儀成為美軍坦克壓倒性優(yōu)勢的來源。

在核能領(lǐng)域，稀土元素釓及其同位素都是最有效的中子吸收劑，可用作控制核電站的連鎖反應(yīng)級別的抑制劑，成為核反應(yīng)堆的“安全保護神”……

現(xiàn)實中，小到手機屏幕、數(shù)碼相機，大到導(dǎo)彈、雷達、潛艇，稀土無處不在。作為不可再生的稀缺性戰(zhàn)略資源，它有“工業(yè)維生素”“新材料之母”之稱，廣泛應(yīng)用于尖端科技領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域。那么，稀土是如何被發(fā)現(xiàn)？又是如何開啟新用途發(fā)現(xiàn)之旅？

我國可供應(yīng)全部稀土元素

人們常把不溶于水的固體氧化物稱為土，例如，將氧化鋁稱為“陶土”，氧化鈣稱為“堿土”等。事實上，稀土是鑭、鈧、釔等17種金屬元素的總稱。因為當時冶煉提純難度較大，用于提取這類元素的礦物比較稀少，而且獲得的氧化物難以熔化，難以溶于水，也很難分離，且外觀酷似“土壤”，而稱之為稀土，這一名稱從18世紀沿用至今。

稀土“大家族”有輕稀土和中重稀土之分。鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪為輕稀土元素，亦稱鈰組稀土元素;鈧、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥和釔為中重稀土元素，亦稱釔組稀土元素。兩者的元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們在礦物中共生情況和離子半徑皆不同。

在應(yīng)用上，輕稀土也被業(yè)內(nèi)人士稱為“假稀土”，雖然存量大、應(yīng)用廣，但價值相對低廉;而重稀土資源稀缺，可用于航天、軍事、國防及新材料合成等高科技領(lǐng)域，價格昂貴，可替代性小。

據(jù)上述專家介紹，稀土元素在地殼中分布十分廣泛，但很不均勻，其中稀土儲量較多的，亞洲有中國、印度，北美有美國、加拿大，還有俄羅斯、澳大利亞、南非、埃及等幾個國家。我國稀土礦藏豐富，雄踞著四個世界第一：資源儲量第一，占23%左右;產(chǎn)量第一，占世界稀土商品量的80%至90%;銷售量第一，60%至70%的稀土產(chǎn)品出口到國外;應(yīng)用第一，大部分的稀土在供國內(nèi)使用。

不僅如此，我國南方的離子型礦中有全球70%以上的重稀土資源，主要分布于我國江西、廣東、福建、廣西等省份，其重稀土高達30%～80%，是具有絕對競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略資源。中國還是目前全球唯一可以供應(yīng)全部稀土元素的國家。

對稀土的認知曾充滿誤會

稀土元素是在1794年，由芬蘭化學(xué)家加多林從未知的礦化物發(fā)現(xiàn)的，即從硅鈹釔礦中發(fā)現(xiàn)了“釔土”（氧化釔）。從1794年發(fā)現(xiàn)釔土開始，到1947年最后一個稀土元素钷被提取出來，前后共經(jīng)歷了150多年，其間充滿了諸多歷史性的誤會。

事實上，稀土元素最初被發(fā)現(xiàn)是這樣被描述的：稀土的發(fā)現(xiàn)始于北歐，1787年業(yè)余礦物學(xué)家阿累尼烏斯在斯德哥爾摩附近一個名叫伊特比（Yteerby）的小村尋得了一塊他從未見過的黑色礦石，就借用這個村名將其命名為Yteerite。1794年加多林聲稱從這種礦物中發(fā)現(xiàn)了一種新元素“釔土”，將其命名為Yteelium（釔）。

人們就把這一年看作是發(fā)現(xiàn)了第一個稀土元素“釔”的年代。其實，這是一種誤會。因為，加多林當初發(fā)現(xiàn)的“釔土”并不是一種稀土元素，而只能說是“釔組稀土”混合氧化物。后來的科學(xué)家，又從這種“釔土”中相繼發(fā)現(xiàn)了鐿、鉺、鋱等重稀土元素。原來是當初的化學(xué)家們把這幾個“孿生兄弟”都當成“一個人”了。同樣的誤會也發(fā)生在輕稀土身上。

在中國，最早的稀土礦發(fā)現(xiàn)于1934年，發(fā)現(xiàn)人是何作霖教授。之后，中國地質(zhì)科學(xué)工作者不斷探索和總結(jié)中國地質(zhì)構(gòu)造演化、發(fā)展的特點，運用和創(chuàng)立新的成礦理論，在全國范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)并探明了一批重要稀土礦床，并總結(jié)出中國稀土資源具有成礦條件好、分布面廣、北輕南重、有價元素含量高、綜合利用價值大等最基本的特點。

稀土元素中有15個“成員”源自一個龐大的“家族”——鑭系元素，它們是元素周期表中第57號元素鑭到第71號元素镥15種元素的統(tǒng)稱。

在物理性質(zhì)上，鑭系金屬為銀白色，較軟，有延展性;活潑性較強，僅次于堿金屬和堿土金屬，需要隔絕空氣保存。同時鑭系金屬是強還原劑，其還原能力僅次于金屬鎂（Mg），其反應(yīng)性可與鋁相比。隨著原子序數(shù)的增加，還原能力呈逐漸減弱的趨勢，其電子逐漸排布在內(nèi)層4f軌道，外層電子排布基本相同，因此這些“成員”的化學(xué)性質(zhì)比較相似。

高精尖科技領(lǐng)域各顯神通

由于各種稀土元素的性質(zhì)極其相似，又多以氧化物混合物的形式存在于各種復(fù)雜的礦物中，稀土元素的分離和提純是一項極其困難的工作。直到1947年，美國科學(xué)家發(fā)明了用離子交換法分離稀土，并由著名學(xué)者斯佩丁改進了離子交換法工藝，制備出公斤級的純凈單一稀土，為研究各種單一稀土的本征特性和開發(fā)稀土的用途創(chuàng)造了基本的條件。人們逐步對稀土豐富的光、電、磁和核性質(zhì)有所認識，為各種稀土功能新材料和新器件的研制及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

信息、生物、新材料、新能源、空間和海洋被當代科學(xué)家推為六大新科技群，人們之所以重視稀土、研究稀土、開發(fā)稀土，就是因為稀土每個成員均有特性，個個身手不凡，在高精尖端科技領(lǐng)域各顯神通。目前，由稀土元素生產(chǎn)的稀土永磁、發(fā)光、儲氫、催化等功能材料已是先進裝備制造業(yè)、新能源等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的原材料，還廣泛應(yīng)用于電子、石油化工、冶金、機械、新能源、輕工、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)等。

如鑭能夠應(yīng)用到制備許多有機化工產(chǎn)品的催化劑中以及光轉(zhuǎn)換農(nóng)用薄膜，在國外，科學(xué)家把鑭對作物的作用賦予“超級鈣”的美稱。鈰的合金耐高熱，可以用來制造噴氣式推進器零件，作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線;還被用作優(yōu)良的環(huán)保材料，應(yīng)用到汽車尾氣凈化催化劑中，可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中。

釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料，以其優(yōu)異的性能廣泛用于電子、機械等行業(yè)，釹鐵硼永磁體的問世，為稀土高科技領(lǐng)域注入了新的生機與活力。被稱作當代“永磁之王”，其中阿爾法磁譜儀的研制成功，標志著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界一流水平。

在醫(yī)療上，釓的水溶性順磁絡(luò)合物，可提高人體的核磁共振成像信號;銩可用作醫(yī)用輕便X光機射線源，用以制造便攜式血液輻射儀，這種輻射儀放射出X射線照射血液并使白細胞下降，從而減少了器官移植早期的排異反應(yīng)。由于對腫瘤組織具有較高親合性，銩還可應(yīng)用于腫瘤的臨床診斷和治療。

稀土還可以作為優(yōu)良的熒光、激光和電光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。稀土離子與羥基、偶氮基或磺酸基等形成絡(luò)合物，使稀土廣泛用于印染行業(yè)。而某些稀土元素具有中子俘獲截面積大的特性，如釤、銪、釓、鏑和鉺，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。

幾乎每隔3～5年，科學(xué)家們就能夠發(fā)現(xiàn)稀土的新用途，每6項發(fā)明中，就有一項離不開稀土。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，稀土科技領(lǐng)域的拓展和延伸，稀土元素將會有更廣闊的利用空間。

應(yīng)用技術(shù)決定稀缺與否

稀土一夜成名，但遺憾的是，很多人并不真正了解稀土。他們的概念往往是這樣的：稀土是我們國家的戰(zhàn)略資源，是稀少的、寶貴的;贛州產(chǎn)稀土，但也開采得差不多了，環(huán)境破壞很嚴重;我們國家已經(jīng)把稀土當白菜賣了很多年，讓外國人買去儲存起來，埋在海里了;國外的稀土資源人家都不開采，都保護起來了，等哪天中國的稀土開采完了再以高價賣給中國;我國稀土資源占比持續(xù)下降就是因為中國稀土開采得太多，都賣給國外了。事實到底如何呢？

稀土的開采和應(yīng)用肯定要消耗一些資源量，但在目前，消耗的稀土還是趕不上新增加的資源量。中國稀土資源占比不斷下降，是因為稀土資源在不斷發(fā)現(xiàn)、探測的稀土儲量數(shù)據(jù)在不斷更新。尤其是外國稀土資源量數(shù)據(jù)的公開和采納，全球的總資源量在增大。如果中國稀土資源量不增加的話，或者增加幅度不如國外的話，這一比例就會下降。近40年來，在中國南方各省份，以及四川、山東、湖北等地都相繼發(fā)現(xiàn)了很多類型的稀土資源，有些資源量已經(jīng)被統(tǒng)計進入我國的稀土資源量數(shù)據(jù)里了，但還有很多資源沒有完成工業(yè)儲量勘探，在現(xiàn)有的儲量數(shù)據(jù)中沒有得到體現(xiàn)。

稀土的“稀”與“不稀”，不能單看它的實際存量，還要看它們的分布是集中的還是分散的，更主要的是要看提取技術(shù)水平的高低和市場需求。隨著稀土提取技術(shù)水平和稀土應(yīng)用價值的提高，圈定稀土礦的邊界品位就可以下調(diào)，那些原本不能算是資源的稀土也能歸為稀土資源，工業(yè)儲量數(shù)據(jù)將大大增加。這就是需要花大力氣去研究開發(fā)提取新技術(shù)的期望所在。打個比方，某類稀土礦床的工業(yè)儲量數(shù)據(jù)是按邊界品位0.1%來圈定和計算的，若通過技術(shù)攻關(guān)，解決了從更低品位的原生礦床中或更低含量的稀土溶液中提取稀土的技術(shù)難題，并能高效分離與其共存的雜質(zhì)離子，而且所開發(fā)的技術(shù)能達到環(huán)境保護的要求;或者說對于原來較高品位的稀土原礦，其開采成本可以下降50%。那么，稀土資源的圈礦品位就可以下調(diào)到0.05%或者更低。由于原來低于0.1%的稀土礦區(qū)都沒有計算到儲量表里，邊界品位下調(diào)后則需要計算進去。這樣一來，原來很多不能算作稀土礦區(qū)的廣大區(qū)域都將成為稀土礦區(qū)了。資源量的增加可能就不止一倍兩倍了，甚至可以是十倍、百倍。

另一方面，通過創(chuàng)新研究，發(fā)現(xiàn)了稀土的新用途，或者說使稀土的應(yīng)用價值更高，這將大大提高市場對稀土的需求量，導(dǎo)致稀土價格的上漲，且完全可以彌補由于礦石品位下降導(dǎo)致的開采成本增加問題。這樣，稀土資源的圈礦品位也可以下調(diào)，資源量將大大增加。所以說，稀土提取分離和應(yīng)用技術(shù)的研究成果對于調(diào)節(jié)稀土的“稀”與“不稀”起著十分重要的作用。

稀土的“稀”與“不稀”，還與其年消耗量有關(guān)。一種資源的豐富程度我們常用該元素在地殼中的含量，或稱克拉克值來表示。克拉克值會由于資源統(tǒng)計量的變化而變化。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，稀土的儲量與銅的數(shù)量相當！按照全球的銅資源量和用量來計算，現(xiàn)有的銅資源量大概就夠用好幾十年。而目前，全球的稀土年消耗量只有十幾萬噸，按照現(xiàn)有的資源量來計算，其開采年限可以達到幾百年，甚至上千年。所以說，稀土“不稀”，可以供應(yīng)各國大面積開發(fā)應(yīng)用。尤其是輕稀土資源，全球其他很多地方都有。包鋼的尾礦里，稀土含量都有3%～5%，這個尾礦庫里有很多稀土，但目前還派不上用場。南方離子吸附型稀土中的鋱、銪、鏑、鈥、鉺、銩、镥等元素是“稀”的，因為這些元素的存量相對其他稀土元素要少得多，其供應(yīng)量較少，用途多，價格也高。但這些年由于LED照明技術(shù)的發(fā)展和稀土熒光粉應(yīng)用技術(shù)的進步，對稀土熒光材料的需求下降了，鋱和銪的需求不旺，好像顯得也不怎么“稀”了。從長遠的發(fā)展來看，稀土的功能性質(zhì)總是在不斷提高的，稀土的一些新的功能性質(zhì)也將不斷被發(fā)現(xiàn)，當這些應(yīng)用得到推廣，其需求就會增加，市場供求關(guān)系就會發(fā)生變化，原來“不稀”的元素也將成為“稀”的了。

總而言之，稀土應(yīng)用研究是關(guān)乎稀土豐富還是稀缺的操控手。所以，稀土應(yīng)用研究一直是全球各國的重點發(fā)展領(lǐng)域。

◎撰文|謝開飛、李永繡

◎來源|綜合科技日報、中國稀土學(xué)會官網(wǎng)