我們總是瞧不起磁鐵，”在美國波士頓的西北大學(xué)開發(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，沒錯，連電冰箱里都要用到磁鐵，多大點事兒呀！’”
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)實驗里那一堆堆難以擺弄的金屬，這些能自身產(chǎn)生出磁場的金屬塊，實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，一個危機(jī)正在顯現(xiàn)。受到全球?qū)δ芰亏吟沿澢蟮拇碳?，對最?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)動的電荷會產(chǎn)生磁場，天然磁鐵的磁場反過來則可以驅(qū)動電荷。這個發(fā)現(xiàn)足以讓大量的鐵，自然界最常見的磁性物質(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)生磁場并與磁場相互作用的能力，就得要借助不少20世紀(jì)的物理學(xué)才行。所有這一切都來自于固體內(nèi)原子中電子的行為。將量子原理和愛因斯坦的相對論準(zhǔn)則運(yùn)用于這些電子，你就會發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)得像一個個小磁棒，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)。但是對某些元素，比如鐵，以及它在元素周期表上的鄰居——鈷和鎳來說，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，整體能量就會降低。只要牢牢地將這些電子固定在一個它們能自由翻轉(zhuǎn)的固體晶格中，然后加上一點磁場，這些元素構(gòu)成的固體就能產(chǎn)生自己的磁場，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
沒錯，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，“要展開可很長。”現(xiàn)代的鐵基或者鐵氧體磁鐵，在價廉和原材料豐富上各有一個勾，它們的磁性相對也足夠強(qiáng)，而且抗腐蝕性也獨(dú)占鰲頭，但它們有一個致命缺點：能量密度太低。這意味著，如果想要強(qiáng)磁場的話，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。
對于工業(yè)界或是大型動力機(jī)組中使用的粗重機(jī)械而言，這也還過得去。但在如今這個精雕細(xì)琢的電子時代，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呢？固體材料中大量的電子和它們之間的自旋相互作用過于復(fù)雜了，理論物理學(xué)家想要精確判斷它們的行為，簡直毫無勝算。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，看命運(yùn)之輪會如何變化。
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端的。這些元素在元素周期表上總是獨(dú)立成區(qū)，無一例外都能貢獻(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，比整個地球鐵質(zhì)核心的磁場還要強(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論道。
問題就出在這個“室溫下”。早期的釹磁有個令人討厭的缺陷——熱擾動總是會破壞那些小心翼翼排列好的自旋，令磁鐵退磁，并在超過100℃時完全喪失磁性。但是，只需要稍加打造，一個現(xiàn)成的修補(bǔ)方案就在眼前：要想得到一個熱力學(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，這帶來了一場磁場革命。從汽車中的動力輸送，到讓硬盤、CD和DVD盤片高速旋轉(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——但凡需要用最小體積產(chǎn)生最大磁場的地方，都會閃現(xiàn)出釹磁的身影。截至2010年，盡管好用實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)明出來時，人們就覺得它好得是不是有點太過頭了，”美國愛荷華州立大學(xué)的磁學(xué)研究者威廉姆·麥卡勒姆（William McCallum）解釋道，“它對稀土元素的需求，甚至超過了后者的儲量。”
稀土元素實際上并不稀有，總共約占地球表層的百萬分之幾，但它們很難探尋。過去的幾十年來，全球幾乎所有的供應(yīng)都來自中國的稀土礦藏。但中國需要這些元素來滿足自己的經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)需求，近來已經(jīng)開始對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，并非個人消費(fèi)電子。“你看到的每一臺電腦，里面都有大約50克磁鐵，”麥卡勒姆說道。而對于數(shù)百萬臺這樣的設(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，只是小巫見大巫。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電動汽車和電動自行車中的馬達(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，就會讓磁鐵需求在2010到2015年之間攀升7倍。
通過重新開啟美國加州關(guān)隘山的礦井，以及在澳大利亞新開礦井，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。而鏑恰恰是美國和澳大利亞礦井中缺乏的稀土元素，這東西只在中國礦井中富足。
因此，業(yè)界對新型超級磁鐵的需求已經(jīng)越來越迫切了。在美國，能源部作為先鋒已經(jīng)開始倡導(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）項目由14個不同的小組構(gòu)成，總投入為2200萬美元，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，他們反倒會退化成一些隨機(jī)晶格結(jié)構(gòu)，從而讓自旋平行更難實現(xiàn)。不過有個例外，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自十幾塊隕石。“他們從很大、很大、很大的小行星中分離出來，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)，通過加入不同的雜質(zhì)來引導(dǎo)它們進(jìn)入合適的排列。“其實就是絞盡腦汁騙過這兩種原子，讓它們認(rèn)為不需經(jīng)過時間的考驗也能形成穩(wěn)固的婚姻，”劉易斯打趣道。
這是個大膽的設(shè)想。不過用麥卡勒姆的話來說，“‘反擊’項目中每個小組都堪稱是獨(dú)幕、兩幕或三幕的奇跡劇，”他接著說，“劉易斯必須想辦法將永恒濃縮成一分鐘或一小時，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。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，整個稀土產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)將因此改觀，”麥卡勒姆憧憬著未來。但有個問題橫亙眼前，每個鈰原子都有一個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，鈰原子就會貢獻(xiàn)出這個電子，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)這個重任。他解釋說，“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，任何由非罕見材料制成的磁鐵，只要能在這個空檔區(qū)中占據(jù)一席之地，都會先讓鏑退燒，然后讓釹降溫。永磁鐵氧體
康斯坦丁尼德斯也有個類似的目標(biāo)。“我們沒必要替代釹，”他也這么認(rèn)為，“我們要做的是找到一些材料，價格、性能與之互補(bǔ)”。他的公司正在開展兩項廣泛的嘗試。一是用高性能計算來剔除鋁－鎳－鈷這樣的現(xiàn)有非稀土元素磁鐵的短板。另一個被他描述為開荒策略，就是用復(fù)雜的算法在自然界有限的磁性物質(zhì)庫中進(jìn)行海選，通過分析來尋找下個巨星?？邓固苟∧岬滤拐f：“鎳、鐵和鈷已是戰(zhàn)功卓著，問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，他并未癡望速戰(zhàn)速決，“它需要的每秒浮點運(yùn)算數(shù)（Flops）需以太（Tera，萬億次）記。”
與此同時，美國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，正在考察一個更不可能的候選者：碳。石墨和鉆石可都不以磁性見長，而且往鐵中加入碳做成的鋼，磁性會被削弱。但是，將微小的含碳納米顆粒和其它元素綁定起來，得到的結(jié)果就大為不同。“我們實際上能增強(qiáng)材料的磁性，”卡彭特說道，“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，而且價格要便宜得多。目前最重要的問題就是，如何讓這些微小的磁鐵生長成合適的尺寸。
眼下，無論是卡彭特還是“反擊”項目的其它任何一個團(tuán)隊，都不敢聲稱自己取得了突破。那么劉易斯覺得她有幾成勝算呢？“哦，我們組啊，很小，”她笑道。不過，考慮到磁鐵對我們現(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，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強(qiáng)磁場。這時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……