我們總是瞧不起磁鐵，”在美國(guó)波士頓的西北大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種新型磁性物質(zhì)的勞拉·劉易斯（Laura Lewis）感嘆道，“人們總以為，‘對(duì)，沒(méi)錯(cuò)，連電冰箱里都要用到磁鐵，多大點(diǎn)事兒呀！’”
在劉易斯眼中，磁鐵的故事就完全不同了。永磁體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是電冰箱里的關(guān)鍵部件，或是中學(xué)實(shí)驗(yàn)里那一堆堆難以擺弄的金屬，這些能自身產(chǎn)生出磁場(chǎng)的金屬塊，實(shí)際上是支撐起我們現(xiàn)代生活的很多技術(shù)的核心。
這些技術(shù)中包含了從智能手機(jī)到耳機(jī)這樣的個(gè)人物品，它們纖巧的外形都多虧了內(nèi)部使用的最新一代高效磁鐵。但磁鐵的影響力遠(yuǎn)超于此，“我們的世界運(yùn)行在能量之上：汽車、渦輪機(jī)、電腦、衛(wèi)星，以及各種交通運(yùn)輸，”美國(guó)紐約州羅徹斯特阿諾德磁性技術(shù)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(gè)危機(jī)正在顯現(xiàn)。受到全球?qū)δ芰亏吟沿澢蟮拇碳ぃ瑢?duì)最優(yōu)質(zhì)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(lái)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(jì)，經(jīng)典電磁學(xué)理論告訴我們，運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，天然磁鐵的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)則可以驅(qū)動(dòng)電荷。這個(gè)發(fā)現(xiàn)足以讓大量的鐵，自然界最常見(jiàn)的磁性物質(zhì)，成為馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和變壓器這類關(guān)鍵電力技術(shù)的核心，磁芯在這些設(shè)備中存儲(chǔ)能量，將機(jī)械功和電流相互轉(zhuǎn)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(chǎng)并與磁場(chǎng)相互作用的能力，就得要借助不少20世紀(jì)的物理學(xué)才行。所有這一切都來(lái)自于固體內(nèi)原子中電子的行為。將量子原理和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論準(zhǔn)則運(yùn)用于這些電子，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)得像一個(gè)個(gè)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(zhì)中，每個(gè)指向的電子數(shù)目各占一半，所以整體不表現(xiàn)出磁效應(yīng)。但是對(duì)某些元素，比如鐵，以及它在元素周期表上的鄰居——鈷和鎳來(lái)說(shuō)，如果所有原子的最外層，也就是參與化學(xué)鍵形成的那些電子，自旋指向相互平行的話，整體能量就會(huì)降低。只要牢牢地將這些電子固定在一個(gè)它們能自由翻轉(zhuǎn)的固體晶格中，然后加上一點(diǎn)磁場(chǎng)，這些元素構(gòu)成的固體就能產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，并一致保持下去。這樣，你就得到了一塊永磁體。釹鐵硼磁鐵，永磁鐵氧體 鐵氧體磁鐵，強(qiáng)力磁鐵 面包磁 拋光面包磁 磁扣 磁性徽章 耐高溫磁鐵 嘉銘磁鐵
沒(méi)錯(cuò)，這是一塊永磁體，但這是一塊好磁鐵么？“我有一張優(yōu)質(zhì)磁鐵需要滿足的要求列表，”康斯坦丁尼德斯說(shuō)，“要展開(kāi)可很長(zhǎng)。”現(xiàn)代的鐵基或者鐵氧體磁鐵，在價(jià)廉和原材料豐富上各有一個(gè)勾，它們的磁性相對(duì)也足夠強(qiáng)，而且抗腐蝕性也獨(dú)占鰲頭，但它們有一個(gè)致命缺點(diǎn)：能量密度太低。這意味著，如果想要強(qiáng)磁場(chǎng)的話，你就要用大得可怕的一堆鐵氧體做成一塊巨型磁鐵。“鐵氧體磁鐵就是又大又沉的大鐵塊，”劉易斯補(bǔ)充道。
對(duì)于工業(yè)界或是大型動(dòng)力機(jī)組中使用的粗重機(jī)械而言，這也還過(guò)得去。但在如今這個(gè)精雕細(xì)琢的電子時(shí)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(lái)呢？固體材料中大量的電子和它們之間的自旋相互作用過(guò)于復(fù)雜了，理論物理學(xué)家想要精確判斷它們的行為，簡(jiǎn)直毫無(wú)勝算。因此，制造更優(yōu)良磁鐵很大程度上都依賴于冶金學(xué)家的黑暗魔法：混合各種可能的元素，然后放入磁場(chǎng)，看命運(yùn)之輪會(huì)如何變化。
這種神農(nóng)嘗百草的方法一直屢試不爽。20世紀(jì)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(jì)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(kāi)端的。這些元素在元素周期表上總是獨(dú)立成區(qū)，無(wú)一例外都能貢獻(xiàn)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(chǔ)能甚至比鋁－鈷－鎳磁鐵還要高一倍。
當(dāng)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(jì)90年代之前，這些釹系磁鐵得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以至于指甲蓋那么大一塊磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，比整個(gè)地球鐵質(zhì)核心的磁場(chǎng)還要強(qiáng)數(shù)千倍。“室溫下，釹磁鐵是我們目前所知的最強(qiáng)磁鐵，”康斯坦丁尼德斯如此評(píng)論道。
問(wèn)題就出在這個(gè)“室溫下”。早期的釹磁有個(gè)令人討厭的缺陷——熱擾動(dòng)總是會(huì)破壞那些小心翼翼排列好的自旋，令磁鐵退磁，并在超過(guò)100℃時(shí)完全喪失磁性。但是，只需要稍加打造，一個(gè)現(xiàn)成的修補(bǔ)方案就在眼前：要想得到一個(gè)熱力學(xué)更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，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(lái)了一場(chǎng)磁場(chǎng)革命。從汽車中的動(dòng)力輸送，到讓硬盤(pán)、CD和DVD盤(pán)片高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)；從揚(yáng)聲器和耳機(jī)中將電流脈沖轉(zhuǎn)換成聲響的振膜，到醫(yī)學(xué)磁共振成像（MRI）中所需的超高密度磁場(chǎng)——但凡需要用最小體積產(chǎn)生最大磁場(chǎng)的地方，都會(huì)閃現(xiàn)出釹磁的身影。截至2010年，盡管好用實(shí)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(jià)上看，釹基磁鐵比其它所有磁鐵都多1到2倍。
但禍隨福至。“釹磁被發(fā)明出來(lái)時(shí)，人們就覺(jué)得它好得是不是有點(diǎn)太過(guò)頭了，”美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的磁學(xué)研究者威廉姆·麥卡勒姆（William McCallum）解釋道，“它對(duì)稀土元素的需求，甚至超過(guò)了后者的儲(chǔ)量。”
稀土元素實(shí)際上并不稀有，總共約占地球表層的百萬(wàn)分之幾，但它們很難探尋。過(guò)去的幾十年來(lái)，全球幾乎所有的供應(yīng)都來(lái)自中國(guó)的稀土礦藏。但中國(guó)需要這些元素來(lái)滿足自己的經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)需求，近來(lái)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)稀土課以很高的出口關(guān)稅——正值全球?qū)ο⊥燎笾艨实漠?dāng)口。
這次緊缺的源頭，并非個(gè)人消費(fèi)電子。“你看到的每一臺(tái)電腦，里面都有大約50克磁鐵，”麥卡勒姆說(shuō)道。而對(duì)于數(shù)百萬(wàn)臺(tái)這樣的設(shè)備而言，所需磁鐵的總量就非常可觀了。但這與眼下綠色能源技術(shù)所吞噬的磁鐵相比，只是小巫見(jiàn)大巫。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車中的馬達(dá)必須強(qiáng)大而且輕巧，只有釹磁才能二者得兼。每輛電動(dòng)汽車中的馬達(dá)都需要大約2千克釹磁；而一座能輸出百萬(wàn)千瓦電能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，則需要大約2/3噸。僅風(fēng)力發(fā)電機(jī)一項(xiàng)，就會(huì)讓磁鐵需求在2010到2015年之間攀升7倍。
通過(guò)重新開(kāi)啟美國(guó)加州關(guān)隘山的礦井，以及在澳大利亞新開(kāi)礦井，稀土的這種短缺可以得到部分緩解，但這也只是杯水車薪而已。電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或是任何馬達(dá)轟鳴的地方，運(yùn)行溫度都很高，這意味著需要往釹磁中摻入大量鏑才能確保磁性穩(wěn)定。而鏑恰恰是美國(guó)和澳大利亞礦井中缺乏的稀土元素，這東西只在中國(guó)礦井中富足。
因此，業(yè)界對(duì)新型超級(jí)磁鐵的需求已經(jīng)越來(lái)越迫切了。在美國(guó)，能源部作為先鋒已經(jīng)開(kāi)始倡導(dǎo)研發(fā)新型磁鐵。被縮稱為“反擊”（React）的“關(guān)鍵技術(shù)中稀土替代品”（Rare Earth Alternatives in Critical Technologies）項(xiàng)目由14個(gè)不同的小組構(gòu)成，總投入為2200萬(wàn)美元，目標(biāo)是研發(fā)出所需稀土元素更少的磁鐵，完全不用最好。
劉易斯的小組就是其中之一，他們正試圖用鐵和鎳的混合物來(lái)進(jìn)一步壓榨高端磁鐵的性能。通常，當(dāng)你將兩種有磁性潛力的元素混合在一起，他們反倒會(huì)退化成一些隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)，從而讓自旋平行更難實(shí)現(xiàn)。不過(guò)有個(gè)例外，就是名為四方鎳紋石（tetrataenite）的礦物結(jié)構(gòu)，其中的鐵和鎳原子形成規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的磁化傾向。
在通常的時(shí)間尺度上，固體結(jié)構(gòu)中的原子不太可能自然融合成如此規(guī)整的構(gòu)形。實(shí)際上，四方鎳紋石并不是地球上的地質(zhì)產(chǎn)物，目前所知的天然樣本都來(lái)自十幾塊隕石。“他們從很大、很大、很大的小行星中分離出來(lái)，花了十?dāng)?shù)億年才冷卻成目前的結(jié)構(gòu)，”劉易斯解釋道。
我們可等不了十億年。劉易斯的工作就是努力使熔合的鐵和鎳原子快速形成這種結(jié)構(gòu)，通過(guò)加入不同的雜質(zhì)來(lái)引導(dǎo)它們進(jìn)入合適的排列。“其實(shí)就是絞盡腦汁騙過(guò)這兩種原子，讓它們認(rèn)為不需經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗(yàn)也能形成穩(wěn)固的婚姻，”劉易斯打趣道。
這是個(gè)大膽的設(shè)想。不過(guò)用麥卡勒姆的話來(lái)說(shuō)，“‘反擊’項(xiàng)目中每個(gè)小組都堪稱是獨(dú)幕、兩幕或三幕的奇跡劇，”他接著說(shuō)，“劉易斯必須想辦法將永恒濃縮成一分鐘或一小時(shí)，這就是她要達(dá)成的奇跡”。
而麥卡勒姆自己的奇跡則是，讓鈰帶上磁場(chǎng)。盡管鈰是稀土金屬，但在關(guān)隘山的礦藏中它卻豐盛有余，約占該礦稀土元素總重量的一半。“如果成功了，整個(gè)稀土產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)將因此改觀，”麥卡勒姆憧憬著未來(lái)。但有個(gè)問(wèn)題橫亙眼前，每個(gè)鈰原子都有一個(gè)能改變自旋指向形成磁性的單電子，但是一旦將它和結(jié)構(gòu)中的其它成分綁定在一起，鈰原子就會(huì)貢獻(xiàn)出這個(gè)電子，因此它的磁性高度不穩(wěn)定，特別是在某些關(guān)鍵的高溫范圍之內(nèi)。
麥卡勒姆的工作主要是，通過(guò)向結(jié)構(gòu)中加入一些足夠鐵面的元素原子，讓鈰原子有禮送不出。不過(guò)即便可行，鈰也不可能像釹那樣大放異彩，好在它也并未肩負(fù)這個(gè)重任。他解釋說(shuō)，“看一下稀土金屬磁鐵和非稀土金屬磁鐵的區(qū)別，真可謂天懸地隔。”因此，任何由非罕見(jiàn)材料制成的磁鐵，只要能在這個(gè)空檔區(qū)中占據(jù)一席之地，都會(huì)先讓鏑退燒，然后讓釹降溫。永磁鐵氧體
康斯坦丁尼德斯也有個(gè)類似的目標(biāo)。“我們沒(méi)必要替代釹，”他也這么認(rèn)為，“我們要做的是找到一些材料，價(jià)格、性能與之互補(bǔ)”。他的公司正在開(kāi)展兩項(xiàng)廣泛的嘗試。一是用高性能計(jì)算來(lái)剔除鋁－鎳－鈷這樣的現(xiàn)有非稀土元素磁鐵的短板。另一個(gè)被他描述為開(kāi)荒策略，就是用復(fù)雜的算法在自然界有限的磁性物質(zhì)庫(kù)中進(jìn)行海選，通過(guò)分析來(lái)尋找下個(gè)巨星。康斯坦丁尼德斯說(shuō)：“鎳、鐵和鈷已是戰(zhàn)功卓著，問(wèn)題在于我們能不能找到更睿智的組合，讓這些元素更加鋒芒畢露。”不過(guò)，他并未癡望速戰(zhàn)速?zèng)Q，“它需要的每秒浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)（Flops）需以太（Tera，萬(wàn)億次）記。”
與此同時(shí)，美國(guó)里士滿弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學(xué)的埃弗里特·卡彭特（Everett Carpenter）和他的小組，正在考察一個(gè)更不可能的候選者：碳。石墨和鉆石可都不以磁性見(jiàn)長(zhǎng)，而且往鐵中加入碳做成的鋼，磁性會(huì)被削弱。但是，將微小的含碳納米顆粒和其它元素綁定起來(lái)，得到的結(jié)果就大為不同。“我們實(shí)際上能增強(qiáng)材料的磁性，”卡彭特說(shuō)道，“而且是大大增強(qiáng)。”他認(rèn)為，這類磁鐵也許最終能百煉成鋼，擊敗釹磁，而且價(jià)格要便宜得多。目前最重要的問(wèn)題就是，如何讓這些微小的磁鐵生長(zhǎng)成合適的尺寸。
眼下，無(wú)論是卡彭特還是“反擊”項(xiàng)目的其它任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)，都不敢聲稱自己取得了突破。那么劉易斯覺(jué)得她有幾成勝算呢？“哦，我們組啊，很小，”她笑道。不過(guò)，考慮到磁鐵對(duì)我們現(xiàn)代電氣化生活的支撐作用，我們所有人都應(yīng)該祈禱奇跡發(fā)生。“哪怕是發(fā)現(xiàn)一線希望，都可能驚天動(dòng)地。”釹鐵硼磁鐵 永磁鐵 磁鐵釹鐵硼
編譯自：《新科學(xué)家》，Loss of attraction: We're running out of magnets
釹鐵硼磁鐵如果你在手心粘上一小塊釹磁鐵碎片，手掌向下伸開(kāi)，置于桌上。掌骨是人體磁性最強(qiáng)的部位，手掌骨被磁化后將在你的手背上形成一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)。這時(shí)你膽敢在手掌和手背上各放上一塊稍大的釹磁鐵，強(qiáng)力的磁場(chǎng)可能生生把你的骨頭弄裂！
這就是稀土元素的磁性特征。
稀土元素還有很多好用的特性，這使得它們用途超廣。
但現(xiàn)在，稀土不夠用了……