本報記者 謝開飛

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了美軍坦克壓倒性優(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？科技日報記者就這些問題采訪了稀土分離技術(shù)方面的專家。

四個“世界第一” 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，也難以溶于水，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，但是卻很不均勻，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。

充滿歷史性誤會 “孿生兄弟”被當成“一個人”

稀土元素是在1794年，由芬蘭化學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，期間充滿了諸多歷史性的誤會。

上述專家介紹道，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?；顫娦暂^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”的化學性質(zhì)比較相似。

個個身手不凡 開啟現(xiàn)代應(yīng)用發(fā)現(xiàn)之旅

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，因此稀土元素的分離和提純是一項極其困難的工作。直到1947年，美國科學家發(fā)明了用離子交換法分離稀土，并由著名學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和應(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、治金、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。

同時，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。