稀有的“高科技金屬”

　　你是否認識這些生僻的字：釕、銠、鈀、鋨……它們都屬于鉑族金屬。這些金屬以其特別可貴的性能和資源珍稀而著稱，廣泛應用于航天、航空、航海、兵器、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等領域，被譽為“第一高技術金屬”和戰(zhàn)略金屬，它們的使用量是一國工業(yè)水平、高新技術水平和經(jīng)濟發(fā)展程度的標志。
　　
　　鉑族金屬——汽車尾氣凈化的高手
　　
　　鉑族金屬由于具有很高的化學穩(wěn)定性(除王水外不溶于任何酸、堿)和催化活性，在氫化、脫氫、異構化、環(huán)化、脫水、脫鹵、氧化、裂解等化學反應中均可作為催化劑，如今更多用于汽車尾氣凈化。汽車尾氣排放已成為我國大、中城市的主要污染源之一。加強對汽車尾氣排放的控制，改善大氣環(huán)境質量已刻不容緩。催化凈化是控制汽車尾氣排放最為有效的手段之一。國外通常采用以鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等貴金屬為主的汽車尾氣催化凈化器。
　　尾氣催化器，是一種安裝在汽車排氣系統(tǒng)內的裝置，它的作用是減少引擎燃燒后所排出的有害廢氣。由于汽車所排放的廢氣中含有一氧化碳、氮氧化合物與碳氫化合物，這些物質會使得空氣質量不斷惡化，尤其是氮氧化合物與碳氫化合物，經(jīng)由陽光照射后很容易生成光化學煙霧，造成嚴重的空氣污染，進而危害人們的呼吸系統(tǒng)。
　　為了解決這一問題，汽車尾氣催化器應運而生。1970年，尾氣催化器開始應用在汽車上，由于催化器內含鉑、鈀和銠等金屬，當引擎排出的廢氣經(jīng)過催化器時，鉑催化劑會促使碳氫化合物與一氧化碳氧化生成水蒸氣和二氧化碳，銠催化劑會使氮氧化合物還原為氮氣和氧氣，從而達到降低廢氣中一氧化碳及碳氫化合物排放濃度的目的，最終使得汽車尾氣排放符合法規(guī)要求。
　　由于日益嚴厲的環(huán)保要求和不斷增大的汽車市場需求，鉑金屬市場行情看漲。2010年全球汽車尾氣凈化催化劑的鉑金需求增長了37％，達到92.8噸。
　　
　　鈀——制造比鋼鐵還堅硬的玻璃
　　
　　玻璃的堅固和強度能超過鋼鐵么?似乎不可能，但美國研究人員最近研制出一種堪稱“牢不可破”的新型容損金屬玻璃，其堅固程度已經(jīng)超過鋼鐵。他們的秘訣是在這種新型金屬玻璃中加入了一些微量的鈀元素，鈀這種金屬具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損特性以及極強的伸展性，由此抵消了玻璃材料不可避免的脆弱易碎性。
　　這種新型金屬玻璃由美國能源部伯克利勞倫斯國家實驗所和加州理工大學研究人員聯(lián)合研制，由鈀、磷、硅、鍺和銀5種元素混合而成，其中磷、硅、鍺和銀構建新型玻璃的強度，鈀則可增強玻璃的可塑性，防止裂縫擴展。這一組合有效克服了韌性材料不牢固、堅硬材料則易碎的毛病，使新材料既有強度又有韌性(這種融合被稱為容損)。這種玻璃承受壓力時有超強的可塑性，可以發(fā)生彎曲卻不會破裂，其容損性能已經(jīng)超出了目前任何已知的材料。
　　
　　釕——在太陽能電池行業(yè)大顯身手
　　
　　美國科學家發(fā)現(xiàn)一種罕見的金屬，能夠吸收陽光并以熱量的形式無限期存儲，需要的時候還可以將存儲的熱量釋放。這一發(fā)現(xiàn)為研制下一代太陽能裝置鋪平了道路，即能夠利用太陽能并且可以無限期存儲熱量。
　　這種含有鉑族金屬釕的罕見金屬被稱為“二釕富瓦烯”。吸收陽光時，二釕富瓦烯的分子會改變形狀，能夠無限期存儲熱量，借助于一種催化劑，它們又可以恢復到最初形態(tài)，同時釋放出所儲存的巨大熱量。
　　當前我們所使用的絕大多數(shù)太陽能裝置，能夠將太陽能轉化成電能或者熱量，但它們無法將暫時不用的能量存儲起來，而使用二釕富瓦烯制成的燃料釋放熱量時，溫度可達到200℃。這種方式被稱之為“熱化學方式”，效率遠高于常規(guī)太陽能系統(tǒng)，因為后者需要使用絕緣材料，讓熱量逐漸釋放。
　　2010年10月25日，美國麻省理工學院的研究人員宣布，他們精確地揭示了二釕富瓦烯分子的工作原理。這將有助于科學家研發(fā)出存儲和釋放熱能而不是電能的新型電池。從原理上講，使用二釕富瓦烯制造的電池可按需存儲和釋放熱能。二釕富瓦烯來自于釕，釕是一種罕見而昂貴的白色硬金屬元素，全球每年開采的釕大約只有12噸，數(shù)量極為稀少。
　　
　　銥——自旋新材料中不可或缺
　　
　　美國能源部阿爾貢先進光源(APS)實驗室研究發(fā)現(xiàn)，一種含有鉑族金屬元素銥的氧化材料，受到銥原子核外電子相互作用的控制，顯示出非同尋常的性質。該研究成果發(fā)表在近期的《物理評論快報》上。新發(fā)現(xiàn)將給半導體納米電子學和信息技術領域帶來新氣象。
　　該研究由阿爾貢APS國家實驗室、肯塔基大學、橡樹嶺國家實驗室以及北伊利諾伊州立大學聯(lián)合開展，研究人員本來認為，銥在5d層的電子波會和鄰位有很強的重疊型并被“綁”在了一起，再加上一個來自氧離子的強大晶體場圍繞著銥離子，5d層電子的角動量和自旋軌道相互作用幾乎會“被消滅掉”。這次研究卻發(fā)現(xiàn)，5d層電子存在很大的軌道角動量，約是它們自旋角動量的3倍，由此在銥原子中形成很強的自旋軌道耦合。
　　由于固體性質由其組成原子的外層價電子所決定，如由相鄰原子的電子云重疊而形成的晶體場等強相互作用。但當固體中自旋軌道相互作用力起重要作用時，就會顯示出有趣的性質：如在含有稀土的永磁體材料中，位于4f層的電子引起的磁性，會被材料中相鄰電子不同能級上的相互作用所屏蔽。它們的自旋軌道耦合時，自旋對稱被打破，將4fN的磁性運動固定到特定的晶格方向，由此產(chǎn)生了很強的永磁效果。
　　研究人員稱，與砷化鎵相比，弱絕緣性的三氧化鋇銥自旋軌道相互作用更強，過渡金屬氧化物的自旋軌道特征可能更加適于制造自旋控制設備。
　　作為下一代自旋電子設備，自旋晶體管有著巨大的應用前景。自旋晶體管是一種輸出電壓依賴于電子自旋方向的器件，采用自旋晶體管特別有利于電路微型化。不僅如此，自旋晶體管在信息技術領域也有著潛在的巨大應用價值。目前，電腦的動態(tài)隨機存儲器一般采用半導體制成，在斷電后其存儲的數(shù)據(jù)就會消失，系統(tǒng)重新啟動時需要從硬盤重新載入數(shù)據(jù)，相當耗時。如果使用自旋晶體管制作動態(tài)隨機存儲器，可以在斷電后依然保存數(shù)據(jù)，從而大幅縮短電腦啟動時間。
　　開發(fā)自旋晶體管需要找到具有大量電子自旋軌道的新型材料。由于自旋軌道的相互作用是隨著原子數(shù)量增加而迅速增加的，含有重元素的材料就成為該領域的最佳候選者。
　　此外，銥還被用來制造觸摸顯示屏。如今，在各種手持消費電子設備、醫(yī)療應用設備、自動售貨機／售票機／自動柜員機(ATM機)、銷售終端(POS機)，工業(yè)和過程控制設備中都可以看到觸摸顯示屏。而觸屏顯示器中就有銥氧化物的身影。
　　
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