我们开车兜风、打电话给朋友、为我们的地球提供动力，磁铁储量正在逐渐减少的事实与我们大家息息相关。我们能成功创造磁性奇迹吗？
绿色能源革命正在消耗我们所储备的最好的磁铁制造元素
劳拉·刘易斯（Laura Lewis）叹了口气。“我们跟磁铁打交道的日子一直都不好过，”她说，“人们认为，‘是呀，是呀，磁铁在冰箱上，有什么大不了的。’”
在波士顿东北大学研发新磁性材料的刘易斯却不这么认为。磁铁远非只是冰箱上的新玩意或是学校实验中吸引铁屑的谜一样的“牧羊人”，永久磁铁这一能够自己创造磁场的金属块，是巩固我们现代生活中许多技术的核心。
包括从智能手机到耳机在内的各种个人物品，它们光滑发亮而紧凑小巧的外形归功于最新的磁性极好的磁铁。但是磁铁的影响远不止于此。“我们的世界依靠能源运转：轿车、涡轮机、计算机、卫星、交通等等，都需要磁铁。”位于纽约罗切斯特的阿诺德磁技术公司的史蒂夫·康斯坦丁尼德斯（Steve Constantinides）说。
现在，危机正在逼近。受到世界对能源的无法满足的胃口的鼓舞，对最好的磁铁的需求正在史无前例地激增。麻烦是，我们不知道这些磁铁从哪里弄到。于是，康斯坦丁尼德斯、刘易斯和他们的同行突然之间发现，人们对他们的研究产生了前所未有的兴趣。
制造一块好磁铁并非易事。19世纪，经典电磁理论告诉我们，当电荷移动时就会产生磁场，而自然形成的磁场可以使电荷移动。这点知识足以把大量的铁块这种自然界中最明显的磁性材料用于核心电力技术――比如马达、发电机和变压器。在那里，铁块储存能量，把机械功转化为电流，或是反过来把电流转化为机械功，一直到今天都是如此。
但是要解释像铁这种永久磁铁是如何获取并保持这种产生磁场并回应磁场作用能力的，则需要许多20世纪的物理学知识。最后都归结到原子中电子的行为。把量子原理和爱因斯坦的相对论运用到这些电子上，你会发现每一个电子都像是一个微小的条形磁铁，它们的南北极排列取决于电子的量子力学的自旋值。
在大多数材料中，这两种相反的自旋排列的电子数量是相等的，所以总体而言不显磁性。但是也有一些元素比如铁以及元素周期表中与它相近的元素――钴和镍，如果原子的最外层电子也就是关系到化学键的那些电子以相同的自旋排列，总排列的能量就会降低。把这些电子牢牢地锁定在固体结构，这样它们就能以相同的自旋排列，然后施加一个磁场，那么你的材料自身的磁场将永远消失。这样，你就得到了永久磁铁。
是磁铁，但一定就是好磁铁吗？“我为好磁铁须具备的条件列了清单，”康斯坦丁尼德斯说，“这是一个蛮长的清单。”现代的铁基或是铁氧体磁铁，其原材料既便宜又充足。它们相对而言磁性很强，并且还具有无与伦比的抗腐蚀性。但是它们有一个最大的缺点是能量密度低，这意味着你需要非常大量的铁氧体才能制造一个强磁场。“铁氧体磁铁又大又笨重。”刘易斯说。
这对于工业中使用的高大的机器和大规模的发电机没什么问题，但是在电子产品小型化的时代，我们需要的是更小巧的磁铁。但是这种小巧的磁铁怎么制造出来呢？无数电子的相互作用以及它们在固体材料里的自旋对于理论物理学家而言过于复杂，他们无法确定电子的行为。所以制造更好的磁铁就很大程度有赖于冶金学家的黑魔法了：把有希望的元素化合物混合在一起，放到磁场里，然后看看会发生什么。
这种“试着看看”的方法经常有效。20世纪30年代混合出来的铝钴镍合金或是叫“磁钢”的磁铁把最好的铁氧体的能量密度翻了不止一倍。但是真正的突破是在20世纪70年代以后，科学家发现镧系元素或者叫稀土元素具有磁势。这些镧系元素漂泊无依地被排在元素周期表的底部，它们有能诱导成相同自旋排列的数量非常众多的电子。由钴和稀土元素钐的化合物制成的磁铁能够储存的磁能是磁钢磁铁的两倍以上。
但是，这场磁性展览会的明星无疑是由稀土元素钕加上铁和硼制成的磁铁。到了20世纪90年代，这些钕磁铁的磁性已经达到这种程度：指尖那么点大的磁铁就能创造出比地球的铁心还要强几千倍的磁场。“在室温下，钕磁铁是我们所知的最强的磁铁。”康斯坦丁尼德斯说。
在室温下，早期的钕磁铁有一个恼人的缺点――热振动有一个扰乱仔细排列好的电子自旋的习惯，所以钕磁铁在温度超过100°C时会消磁而失去磁性。可是，只要多一点修补，就有一个现成的解决办法。对于一个热稳定更强的结构，你只需把一小部分（百分之几）的钕原子换成其原子序数更大的同族的稀土元素镝。
磁性革命的舞台就这样搭好了。哪里需要以最小体积的磁铁产生最大的磁场，就是钕磁铁的用武之地：轿车里的动力方向盘，驱动硬盘、CD和DVD转动以读取数据的主轴电机，移动扬声器和耳机中把电脉冲转化为听得见的声音波纹的隔膜，产生医学磁共振成像所需的难以置信的强磁场。到2010年，尽管在销售比重方面，既便宜又大块头的铁氧体磁铁仍然是主导，但是在价格方面，钕基磁铁却以2比1胜过了其他所有磁铁。
这时候问题来了。“刚发明钕磁铁时，某种意义上而言，麻烦是它太好了，”爱荷华州立大学的磁学研究者威廉·麦卡勒姆（William McCallum）说，“它加大了对稀土的需求，以致获得稀土成了问题。”
稀土其实并不稀缺，它们以百万分率存在于地壳中，但不容易找到。在过去的十年中，几乎全世界的稀土供应都是来自中国的稀土矿。但是中国也需要稀土元素满足自己的经济和消费激增，所以近年来已经开始征收高额的出口关税――当全球对稀土的需求正好猛增时。
贪婪的绿色
这次的罪魁祸首不是个人消费类电子产品。“你看看一台电脑，会发现每台里面可能有50克铁。”麦卡勒姆说。数百万台电脑中的磁铁加起来就很多了。但是与目前绿色能源技术中所消耗的磁铁量比起来，那就是小巫见大巫了。用于风力涡轮机、电车和电动自行车的马达必须既有力，重量又轻――唯有钕磁铁才具有我们要求的性能。电车中的每个马达需要2千克左右的钕磁铁，至于能产生百万瓦特电能的一个风力涡轮机，则需大约2/3吨钕磁铁。仅是风力涡轮机对钕磁铁的需求在2010至2015年预计将增长七倍以上。
多亏加利福尼亚芒廷帕斯的一座重开矿和澳大利亚的新矿，一部分短缺可以满足，但仍然有一个大缺口。电车和风力涡轮机的马达或是其他任何产生力矩地方的高工作温度，意味着钕磁铁需要那么一小撮关键的镝来保持热稳定。而镝正是美国和澳大利亚那些即将投产的矿石所没有的，唯有中国的矿石中才有。
因此，迫切需要新的超级磁铁。美国能源部正在带头进行一个研发计划――“关键技术中的稀土替代物”，简称为“REACT”。14个不同的研发团队获得了总额为2200万美金的研究经费，目的就是研发出对稀土元素所需量少得多，或者理想情况是根本不需要稀土元素的磁铁。
刘易斯的团队就是其中之一，他们正尝试从铁镍化合物中获取更好的磁性。通常情况下，当你把这两种磁性元素放到一起时，它们会消退为一个随机结构，从这个结构很难诱导出一个更好的自旋排列。一个例外是一种叫做“正方镍纹石”的矿石结构，其中的铁原子和镍原子整齐地排列成一层层，并且非常偏爱磁性排列。
固体结构的原子不大可能在任何有用的时间尺度内自然地扩散成一个有序的结构。确实，正方镍纹石不是地球上的工序的产物：唯一已知的自然的例子来自于少数陨石。“他们来自很大很大很大的小行星，并且经过了十亿年才冷却成他们现在的结构。”刘易斯说。
十亿年是对我们没有用的时间尺度。刘易斯的研究全都是关于试图稍微更迅速地把铁原子和镍原子极化成这种磁性结构，通过添加不同元素的杂质，诱使它们重新以恰当的方式排列。“我们尝试欺骗它相信，它能以一种更稳定的方式获得这种结构。”她说。
这是一项艰巨的任务。“每一个REACT的项目我都认为是一个、两个或是三个奇迹的方案，”麦卡勒姆说，“刘易斯得让某种东西在数分钟或者数小时之内形成，而那原本需要几个世纪。这就是她的奇迹。”
麦卡勒姆自己的奇迹是利用铈。尽管铈是一种稀土元素，却无疑是芒廷帕斯矿中含量最大的――占据了那里稀土的一半比重。“那将改变稀土生产的整个经济状况，”麦卡勒姆说。但是有一个问题，每个铈原子有一个能被排列成使某物具有磁性的单个原子，但是一旦你通过把它和其他东西结合成一个结构来稳定这个电子，它就会释放这个电子。它的磁化非常不稳定，尤其是在那些关键性的高温下。
麦卡勒姆的研究聚焦于把元素的原子引入足够陌生的结构中，从而使铈原子不再那么“挥霍”它们的电子。即使这成功了，铈永远不会也不必制成像钕那么好的磁铁。“如果你看看稀土磁铁和非稀土磁铁的差别，你会发现有一个巨大的差距。”他说。由更友好的材料制成的任何填补这种差距的磁铁将从钕、尤其是从镝那里吸走一部分热量。
康斯坦丁尼德斯有一个相似的目标。“我们无需替换钕，”他说，“我们需要具有互补的价格、性能和能力的其他材料。”他的公司正采用两大方法：一个是用计算能力尝试调整已有的非稀土磁铁，比如磁钢；另一个是他描述为“绿场”的方法，运用复杂的算法把自然界中种类有限的磁性元素化合成不同的结构，然后分析磁性结果。“我们得到镍铁钴合金已经很久了，但是问题是我们如何以一种聪明的方式组合这些元素，产生磁性非常好的磁铁。”他说。他对快速成功一点把握都没有：“这需要大量的万亿次浮点运算。”
与此同时，里士满的弗吉尼亚联邦大学的艾弗里特·卡朋特（Everett Carpenter）和他的团队正在研究一个更不可能的元素――碳。石墨和钻石并不以其磁性著称，而把碳添加到铁中制成钢铁则会减弱其磁性。但是，把包含碳和其他元素的微小的纳米颗粒结合在一起，结果就大不一样了。“实际上，磁性得到了增强，”卡朋特说，“显著增强。”他认为这样的磁铁可能最终其磁性足以打败钕磁铁，并且价格会便宜得多――主要问题是如何把它们增大到合适尺寸。
目前无论是卡朋特还是REACT计划下的其他任何一个项目都还不能说取得了突破。那么刘易斯估计她的成功机会有多大呢？“天哪，成功机会很小，”她说，尽管考虑到磁铁对我们由电力所驱动的生活的影响力，我们都应该十指交叉祈祷奇迹的出现，“如果我们注意到成功的哪怕一个细微的迹象，也将是巨大的成功。”
资料来源New Scientist
责任编辑 彦 隐