磁铁快要不够用了!

磁铁,在我们身边无处不在,是日常通讯、交通,甚至能源体系中的重要原料。然而,这种资源也快要不够用了。

“我们总是瞧不起磁铁,”在美国波士顿的西北大学开发出一种新型磁性物质的劳拉·刘易斯(Laura Lewis)感叹道,“人们总以为,‘对,没错,连电冰箱里都要用到磁铁,多大点事儿呀!’”

在刘易斯眼中,磁铁的故事就完全不同了。永磁体远远不止是电冰箱里的关键部件,或是中学实验里那一堆堆难以摆弄的金属,这些能自身产生出磁场的金属块,实际上是支撑起我们现代生活的很多技术的核心。

这些技术中包含了从智能手机到耳机这样的个人物品,它们纤巧的外形都多亏了内部使用的最新一代高效磁铁。但磁铁的影响力远超于此,“我们的世界运行在能量之上:汽车、涡轮机、电脑、卫星,以及各种交通运输,”美国纽约州罗彻斯特阿诺德磁性技术公司的斯蒂芬·康斯坦丁尼德斯(Steve Constantinides)解释道,“这些都需要磁铁。”

磁铁

而现在,一个危机正在显现。受到全球对能量饕餮贪求的刺激,对最优质磁铁的需求正汇聚成一股暗涌的洪流。麻烦在于,我们不知道从哪才能弄来这么多磁铁。突然之间,康斯坦丁尼德斯、刘易斯和他们的同行们发现,自己的工作正受到前所未有的重视。

要制造出一块好的磁铁可不容易。19世纪,经典电磁学理论告诉我们,运动的电荷会产生磁场,天然磁铁的磁场反过来则可以驱动电荷。这个发现足以让大量的铁,自然界最常见的磁性物质,成为马达、发电机和变压器这类关键电力技术的核心,磁芯在这些设备中存储能量,将机械功和电流相互转化,直到今天依然如此。

但要解释磁铁这样的永磁体如何获得产生磁场并与磁场相互作用的能力,就得要借助不少20世纪的物理学才行。所有这一切都来自于固体内原子中电子的行为。将量子原理和爱因斯坦的相对论准则运用于这些电子,你就会发现它们表现得像一个个小磁棒,其指向要么向上,要么向下,取决于电子的自旋数值。

在大多数物质中,每个指向的电子数目各占一半,所以整体不表现出磁效应。但是对某些元素,比如铁,以及它在元素周期表上的邻居——钴和镍来说,如果所有原子的最外层,也就是参与化学键形成的那些电子,自旋指向相互平行的话,整体能量就会降低。只要牢牢地将这些电子固定在一个它们能自由翻转的固体晶格中,然后加上一点磁场,这些元素构成的固体就能产生自己的磁场,并一致保持下去。这样,你就得到了一块永磁体。

优质永磁体
没错,这是一块永磁体,但这是一块好磁铁么?“我有一张优质磁铁需要满足的要求列表,”康斯坦丁尼德斯说,“要展开可很长。”现代的铁基或者铁氧体磁铁,在价廉和原材料丰富上各有一个勾,它们的磁性相对也足够强,而且抗腐蚀性也独占鳌头,但它们有一个致命缺点:能量密度太低。这意味着,如果想要强磁场的话,你就要用大得可怕的一堆铁氧体做成一块巨型磁铁。“铁氧体磁铁就是又大又沉的大铁块,”刘易斯补充道。

这样的马蹄形磁铁,大都是铁氧体磁铁。它们的特点是廉价和原料丰富,缺点在于做不到足够小巧而又有足够强的磁性。

对于工业界或是大型动力机组中使用的粗重机械而言,这也还过得去。但在如今这个精雕细琢的电子时代,我们需要身形更为玲珑的磁铁。但如何才能造出这样的磁铁来呢?固体材料中大量的电子和它们之间的自旋相互作用过于复杂了,理论物理学家想要精确判断它们的行为,简直毫无胜算。因此,制造更优良磁铁很大程度上都依赖于冶金学家的黑暗魔法:混合各种可能的元素,然后放入磁场,看命运之轮会如何变化。

这种神农尝百草的方法一直屡试不爽。20世纪30年代合成的铝-钴-镍磁铁,能量密度就是最好的铁氧体磁铁的两倍。但真正的突破还是以上世纪70年代发现镧系元素或者叫稀土元素的磁性潜力为开端的。这些元素在元素周期表上总是独立成区,无一例外都能贡献大量自旋相互平行织连成片的电子。用钴和稀土元素钐的混合物做出的磁铁,储能甚至比铝-钴-镍磁铁还要高一倍。

当然,选秀中的最大明星还要属由稀土元素钕加上铁和硼制成的磁铁。在上世纪90年代之前,这些钕系磁铁得到了突飞猛进的发展,以至于指甲盖那么大一块磁铁产生的磁场,比整个地球铁质核心的磁场还要强数千倍。“室温下,钕磁铁是我们目前所知的最强磁铁,”康斯坦丁尼德斯如此评论道。

问题就出在这个“室温下”。早期的钕磁有个令人讨厌的缺陷——热扰动总是会破坏那些小心翼翼排列好的自旋,令磁铁退磁,并在超过100℃时完全丧失磁性。但是,只需要稍加打造,一个现成的修补方案就在眼前:要想得到一个热力学更加稳定的结构,只需将很少一部分钕原子,百分之几即可,替换成它更重的同伴——镝。

最终,这带来了一场磁场革命。从汽车中的动力输送,到让硬盘、CD和DVD盘片高速旋转的马达;从扬声器和耳机中将电流脉冲转换成声响的振膜,到医学磁共振成像(MRI)中所需的超高密度磁场——但凡需要用最小体积产生最大磁场的地方,都会闪现出钕磁的身影。截至2010年,尽管好用实惠的铁氧体磁铁在重量上仍占据销售比例的大头,但从销售总价上看,钕基磁铁比其它所有磁铁都多1到2倍。

但祸随福至。“钕磁被发明出来时,人们就觉得它好得是不是有点太过头了,”美国爱荷华州立大学的磁学研究者威廉姆·麦卡勒姆(William McCallum)解释道,“它对稀土元素的需求,甚至超过了后者的储量。”

稀土元素实际上并不稀有,总共约占地球表层的百万分之几,但它们很难探寻。过去的几十年来,全球几乎所有的供应都来自中国的稀土矿藏。但中国需要这些元素来满足自己的经济和消费需求,近来已经开始对稀土课以很高的出口关税——正值全球对稀土求知若渴的当口。

贪婪的绿色
这次紧缺的源头,并非个人消费电子。“你看到的每一台电脑,里面都有大约50克磁铁,”麦卡勒姆说道。而对于数百万台这样的设备而言,所需磁铁的总量就非常可观了。但这与眼下绿色能源技术所吞噬的磁铁相比,只是小巫见大巫。风力发电机、电动汽车和电动自行车中的马达必须强大而且轻巧,只有钕磁才能二者得兼。每辆电动汽车中的马达都需要大约2千克钕磁;而一座能输出百万千瓦电能的风力发电机,则需要大约2/3吨。仅风力发电机一项,就会让磁铁需求在2010到2015年之间攀升7倍。

预计到2015年,全球产业界对磁铁的需求可能就会造成供不应求的局面。

通过重新开启美国加州关隘山的矿井,以及在澳大利亚新开矿井,稀土的这种短缺可以得到部分缓解,但这也只是杯水车薪而已。电动汽车、风力发电机或是任何马达轰鸣的地方,运行温度都很高,这意味着需要往钕磁中掺入大量镝才能确保磁性稳定。而镝恰恰是美国和澳大利亚矿井中缺乏的稀土元素,这东西只在中国矿井中富足。

因此,业界对新型超级磁铁的需求已经越来越迫切了。在美国,能源部作为先锋已经开始倡导研发新型磁铁。被缩称为“反击”(React)的“关键技术中稀土替代品”(Rare Earth Alternatives in Critical Technologies)项目由14个不同的小组构成,总投入为2200万美元,目标是研发出所需稀土元素更少的磁铁,完全不用最好。

刘易斯的小组就是其中之一,他们正试图用铁和镍的混合物来进一步压榨高端磁铁的性能。通常,当你将两种有磁性潜力的元素混合在一起,他们反倒会退化成一些随机晶格结构,从而让自旋平行更难实现。不过有个例外,就是名为四方镍纹石(tetrataenite)的矿物结构,其中的铁和镍原子形成规整的层状结构,具有很强的磁化倾向。

在通常的时间尺度上,固体结构中的原子不太可能自然融合成如此规整的构形。实际上,四方镍纹石并不是地球上的地质产物,目前所知的天然样本都来自十几块陨石。“他们从很大、很大、很大的小行星中分离出来,花了十数亿年才冷却成目前的结构,”刘易斯解释道。

我们可等不了十亿年。刘易斯的工作就是努力使熔合的铁和镍原子快速形成这种结构,通过加入不同的杂质来引导它们进入合适的排列。“其实就是绞尽脑汁骗过这两种原子,让它们认为不需经过时间的考验也能形成稳固的婚姻,”刘易斯打趣道。

这是个大胆的设想。不过用麦卡勒姆的话来说,“‘反击’项目中每个小组都堪称是独幕、两幕或三幕的奇迹剧,”他接着说,“刘易斯必须想办法将永恒浓缩成一分钟或一小时,这就是她要达成的奇迹”。

而麦卡勒姆自己的奇迹则是,让铈带上磁场。尽管铈是稀土金属,但在关隘山的矿藏中它却丰盛有余,约占该矿稀土元素总重量的一半。“如果成功了,整个稀土产业经济将因此改观,”麦卡勒姆憧憬着未来。但有个问题横亘眼前,每个铈原子都有一个能改变自旋指向形成磁性的单电子,但是一旦将它和结构中的其它成分绑定在一起,铈原子就会贡献出这个电子,因此它的磁性高度不稳定,特别是在某些关键的高温范围之内。

麦卡勒姆的工作主要是,通过向结构中加入一些足够铁面的元素原子,让铈原子有礼送不出。不过即便可行,铈也不可能像钕那样大放异彩,好在它也并未肩负这个重任。他解释说,“看一下稀土金属磁铁和非稀土金属磁铁的区别,真可谓天悬地隔。”因此,任何由非罕见材料制成的磁铁,只要能在这个空档区中占据一席之地,都会先让镝退烧,然后让钕降温。

康斯坦丁尼德斯也有个类似的目标。“我们没必要替代钕,”他也这么认为,“我们要做的是找到一些材料,价格、性能与之互补”。他的公司正在开展两项广泛的尝试。一是用高性能计算来剔除铝-镍-钴这样的现有非稀土元素磁铁的短板。另一个被他描述为开荒策略,就是用复杂的算法在自然界有限的磁性物质库中进行海选,通过分析来寻找下个巨星。康斯坦丁尼德斯说:“镍、铁和钴已是战功卓著,问题在于我们能不能找到更睿智的组合,让这些元素更加锋芒毕露。”不过,他并未痴望速战速决,“它需要的每秒浮点运算数(Flops)需以太(Tera,万亿次)记。”

与此同时,美国里士满弗吉尼亚州立邦联大学的埃弗里特·卡彭特(Everett Carpenter)和他的小组,正在考察一个更不可能的候选者:碳。石墨和钻石可都不以磁性见长,而且往铁中加入碳做成的钢,磁性会被削弱。但是,将微小的含碳纳米颗粒和其它元素绑定起来,得到的结果就大为不同。“我们实际上能增强材料的磁性,”卡彭特说道,“而且是大大增强。”他认为,这类磁铁也许最终能百炼成钢,击败钕磁,而且价格要便宜得多。目前最重要的问题就是,如何让这些微小的磁铁生长成合适的尺寸。

眼下,无论是卡彭特还是“反击”项目的其它任何一个团队,都不敢声称自己取得了突破。那么刘易斯觉得她有几成胜算呢?“哦,我们组啊,很小,”她笑道。不过,考虑到磁铁对我们现代电气化生活的支撑作用,我们所有人都应该祈祷奇迹发生。“哪怕是发现一线希望,都可能惊天动地。”

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