稀有怪異的“金屬群”

竇光宇

在2008年度國家科學技術獎勵大會上，來自北京大學的徐光憲院士，因在稀土材料研究方面成績卓著而獲得國家最高科技獎。對于徐光憲院士，本刊讀者并不陌生，因為他曾為本刊撰文，介紹21世紀化學科學的前沿問題以及今天化學家的任務，其中重要的就是要在材料科學領域找到突破口，開發出新型稀土功能材料。“稀土”這種材料究竟有什么神奇的魔力呢?

稀土金屬是一類稀有礦物的總稱，指化學元素周期袁中的锎系元素，其中包括：鑭(La)、鈰(ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系15個元素密切相關的2個元素：鈧(sc)和釔(Y)，加在一起總共有17種金屬元素。

稀土金屬是從瑞典開采出來的一些比較稀少的礦物中被發現的，“土”是按當時的習慣指不溶于水的物質，將兩者結合在一起故稱“稀土”。根據稀土金屬原子電子層結構、物理化學性質以及它們在礦物中共生情況的不同，17種稀土金屬通常被分為兩組。一組是輕稀土(又稱鈰組)，包括：锎、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓；另一組是重稀土(又稱釔組)，包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。這兩組稀土金屬之所以稱鈰組或釔組，是因為礦物經分離得到的稀土混合物中，常以鈰或釔占優勢，分類名稱也由此而來。

稀土元素通常在地殼中聚集出現，它們的物理性質和化學性質又比較接近，所以，對稀土元素的分離非常困難。稀土元素的提純成為化學研究中的一個巨大難點。從1794年芬蘭人加多林最先分離出釔，到1947年美國人馬林斯基等人最后制得钷，對這17種稀土元素的逐一完全提純，總共經歷了150多年。

稀土元素的電子能級極為豐富，因此，具有十分豐富的光、電、磁等性能。稀土元素化合物的配位數可在3～12的范圍內變化，而利用增加和減少配位數的方法催化反應的進行，正是催化劑的工作原理。因此，許多稀土元素都可以做為理想的催化劑，起到“點石成金”的作用。

目前，世界上發現的稀土礦物約有250種，但具有工業價值的稀土礦物只有50～60種；其中，具有開采價值的更少，只有10種左右。世界稀土資源的擁有國，只有中國、美國、俄羅斯、加拿大、澳大利亞等少數國家。我國的稀土資源占世界的41.36％，探明的儲量居世界之首。現在，中國生產的高純度稀土已占世界產量的80％以上。比較著名的產地有白云鄂博稀土礦、山東微山稀土礦、冕寧稀土礦等。

增進健康的“好幫手”

近年來，對稀土在醫藥方面的研究應用，正在不斷深入和擴展，對增強人體健康起到了十分有益的作用。

早在20世紀70年代初期，稀土熒光粉就被用于X射線增感屏。經過不斷改進，國內已用稀土元素鑭或銪，生產出性能更加優異的感光屏，提高了動態臟器投照的清晰度和診斷水平。照射時間僅為鎢屏的1／3～1／4，從而降低對病人的輻射劑量。同時，還延長了設備的壽命，節約了能源。

在核磁共振影像診斷中，稀土元素可以作為圖象對比度增強劑，更好地改善大腦、腎、肝、胃腸道等器官圖像，增強核磁共振影像。而且它們無毒，很快就可以經尿液排出體外。

研究發現，一定劑量的混合稀土或單一稀土元素對多種腫瘤細胞生長有抑制作用。稀土還可以增強抑癌基因表述，提高抗腫瘤免疫功能和抗氧化功能，為今后把稀土用于腫瘤治療開發出新的領域。

低濃度稀土化合物具有抑菌、殺菌作用，現已得到證實。例如，0.25％～0.5％的硝酸鈰、硫酸鈰溶液對綠膿桿菌、金色葡萄球菌、肺炎桿菌、奇異變形桿菌、糞鏈球菌、大腸桿菌等有強烈的殺菌作用。當它們作為治療燒傷藥物使用時，對燒傷的創面有較強的殺菌作用，還可防止燒傷后肌體的免疫抑制作用。

社會發展的“維生素”

稀土元素雖然不像鐵、硅、鍺等元素那樣在社會發展的某一方面起到擔綱作用，但它們的用途十分廣泛，冶金、石油、化工、輕紡、醫藥、農業等無所不包。就像人體健康成長所需要的維生素一樣，對社會發展也起到必不可少的推動作用。

在一些傳統產品中加入適量的稀土，就會產生許多神奇的效果。以彩電為代表的家電產品，廣泛應用了含有稀土的熒光、拋光、功能陶瓷、玻璃添加劑等多種功能材料，不僅帶動了20世紀80年代稀土材料的開發應用，也為這些產品的升級換代起到了關鍵作用。20世紀90年代以來，以計算機為代表的電子信息產業飛速發展，稀土材料便更有用武之地了。

由于稀土元素在光、磁、電領域能夠產生特殊的能量轉換、傳榆、存儲功能，因此，科學家通過對稀土原料的加工，相繼開發出了稀土永磁材料、稀土發光材料、稀土激光材料、稀土貯氫材料、稀土光纖材料、稀土磁廣存儲材料、稀土超導材料和稀土原子能材料等等，為世界高新技術的發展提供了基礎。其中，稀土永磁材料就是一個很突出的代表。它的磁性可以高出普通永磁材料的4～10倍。其中，釹鐵硼永磁體是目前發現的磁性能最高的永磁材料，被稱為超級磁體和當代永磁之王，現已應用于計算機硬盤驅動器、磁碟機、電腦光碟、傳真機、打印機、復印機等設備中。由于此類材料具有超乎尋常的功能，使電手信息設備在不斷提高性能的同時，也實現了輕、薄、小型化。稀土永磁材料還在各類電機、核磁共振儀器、磁懸浮列車等領域有著廣泛的應用，并被確定為電動汽車主發動機的首選材料。

稀土貯氫材料貯存密度大于液氫，體積卻只有普通鋼瓶的六分之一。目前應用最為成功的是鎳氫電池，其等體積充電容量是目前廣泛使用的鎳鎘電池的兩倍，而且沒有記憶效應和鎘污染；與鋰離子電池相比，具備價格低、安全性能好的優勢，被各國科技和產業界稱為“綠色電池?，已大量應用于便攜式電器、移動電話等無線電子設備，并可望成為電動汽車的電源。

稀土金屬容易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點高的化合物，因此在鋼水中加入稀土金屬，可以起到凈化鋼的效果。由于稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大，很容易填補在其晶粒及缺陷中，并生成能阻礙晶粒繼續生長的膜，從而使晶粒細化而提高鋼的性能。稀土鋼能顯著提高鋼的耐磨性、耐磨蝕性和韌性。稀土鋁盤條能在縮小鋁線細度的同時提高其強度和導電率。

稀土元素的離子可以與羥基、偶氮基或磺酸基等形成化合物，從而使稀土廣泛用于印染行業。某些稀土元素如釤、銪、釓、鏑和鉺，具有中子俘獲截面積大的特性，可用作原子能反應堆的控制材料和減速劑；而鈰、釔的中子俘獲截面積小，則可作為反應堆燃料的稀釋劑。稀土還具有類似微量元素的性質，可以促進農作物的種子萌發，促進根系生長，促進植物的光合作用，因此，在農業生產中也有著重要作用。

在生活中，我們每天也都會與稀土材料打交道。目前，汽車尾氣凈化催化劑是稀土應用量最大的項目之一。計算機顯示器及各種電子顯示屏和熒光燈，都離不開稀土熒光材料。稀土氧化物可以用于制造各式各樣的特種玻璃。比如，含稀土元素鑭的玻璃是一種具有優良光學性質的玻璃，這種玻璃具有高的折射率、低的色散和良好的化學穩定性，可用于制造高級照相機的鏡頭和潛望鏡的鏡頭。稀土氧化物還可以用于制造彩色玻璃：加入釹可使玻璃變成酒紅色；加入鐠可使玻璃變成綠色；加入鉺可使玻璃變成粉紅色。這些彩色玻璃色澤變幻莫測，可以用來制造裝飾品，裝點人們的生活。