失去吸引力磁鐵正在耗盡

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1、失去吸引力：磁鐵正在耗盡蔡立英/編譯●我們開車兜風、打電話給朋友、為我們的地球提供動力，磁鐵儲量正在逐漸減少的事實與我們大家息息相關(guān)。我們能成功創(chuàng)造磁性奇跡嗎？綠色能源革命正在消耗我們所儲備的最好的磁鐵制造元素勞拉·劉易斯（LauraLewis）嘆了口氣?！拔覀兏盆F打交道的日子一直都不好過，”她說，“人們認為，‘是呀，是呀，磁鐵在冰箱上，有什么大不了的?！痹诓ㄊ款D東北大學研發(fā)新磁性材料的劉易斯卻不這么認為。磁鐵遠非只是冰箱上的新玩意或是學校實驗中吸引鐵屑的謎一樣的“牧羊人”，永久磁鐵這一能夠自己創(chuàng)造磁場的金屬塊，是鞏固我們現(xiàn)代生活中

2、許多技術(shù)的核心。包括從智能手機到耳機在內(nèi)的各種個人物品，它們光滑發(fā)亮而緊湊小巧的外形歸功于最新的磁性極好的磁鐵。但是磁鐵的影響遠不止于此?！拔覀兊氖澜缫揽磕茉催\轉(zhuǎn)：轎車、渦輪機、計算機、衛(wèi)星、交通等等，都需要磁鐵。”位于紐約羅切斯特的阿諾德磁技術(shù)公司的史蒂夫·康斯坦丁尼德斯（SteveConstantinides）說?，F(xiàn)在，危機正在逼近。受到世界對能源的無法滿足的胃口的鼓舞，對最好的磁鐵的需求正在史無前例地激增。麻煩是，我們不知道這些磁鐵從哪里弄到。于是，康斯坦丁尼德斯、劉易斯和他們的同行突然之間發(fā)現(xiàn)，人們對他們的研究產(chǎn)生了前所未有的興

3、趣。制造一塊好磁鐵并非易事。19世紀，經(jīng)典電磁理論告訴我們，當電荷移動時就會產(chǎn)生磁場，而自然形成的磁場可以使電荷移動。這點知識足以把大量的鐵塊這種自然界中最明顯的磁性材料用于核心電力技術(shù)——比如馬達、發(fā)電機和變壓器。在那里，鐵塊儲存能量，把機械功轉(zhuǎn)化為電流，或是反過來把電流轉(zhuǎn)化為機械功，一直到今天都是如此。但是要解釋像鐵這種永久磁鐵是如何獲取并保持這種產(chǎn)生磁場并回應(yīng)磁場作用能力的，則需要許多20世紀的物理學知識。最后都歸結(jié)到原子中電子的行為。把量子原理和愛因斯坦的相對論運用到這些電子上，你會發(fā)現(xiàn)每一個電子都像是一個微小的條形磁鐵，它們的

4、南北極排列取決于電子的量子力學的自旋值。在大多數(shù)材料中，這兩種相反的自旋排列的電子數(shù)量是相等的，所以總體而言不顯磁性。但是也有一些元素比如鐵以及元素周期表中與它相近的元素——鈷和鎳，如果原子的最外層電子也就是關(guān)系到化學鍵的那些電子以相同的自旋排列，總排列的能量就會降低。把這些電子牢牢地鎖定在固體結(jié)構(gòu)，這樣它們就能以相同的自旋排列，然后施加一個磁場，那么你的材料自身的磁場將永遠消失。這樣，你就得到了永久磁鐵。是磁鐵，但一定就是好磁鐵嗎？“我為好磁鐵須具備的條件列了清單，”康斯坦丁尼德斯說，“這是一個蠻長的清單?！爆F(xiàn)代的鐵基或是鐵氧體磁鐵，

5、其原材料既便宜又充足。它們相對而言磁性很強，并且還具有無與倫比的抗腐蝕性。但是它們有一個最大的缺點是能量密度低，這意味著你需要非常大量的鐵氧體才能制造一個強磁場?！拌F氧體磁鐵又大又笨重?！眲⒁姿拐f。這對于工業(yè)中使用的高大的機器和大規(guī)模的發(fā)電機沒什么問題，但是在電子產(chǎn)品小型化的時代，我們需要的是更小巧的磁鐵。但是這種小巧的磁鐵怎么制造出來呢？無數(shù)電子的相互作用以及它們在固體材料里的自旋對于理論物理學家而言過于復雜，他們無法確定電子的行為。所以制造更好的磁鐵就很大程度有賴于冶金學家的黑魔法了：把有希望的元素化合物混合在一起，放到磁場里，然后

6、看看會發(fā)生什么。這種“試著看看”的方法經(jīng)常有效。20世紀30年代混合出來的鋁鈷鎳合金或是叫“磁鋼”的磁鐵把最好的鐵氧體的能量密度翻了不止一倍。但是真正的突破是在20世紀70年代以后，科學家發(fā)現(xiàn)鑭系元素或者叫稀土元素具有磁勢。這些鑭系元素漂泊無依地被排在元素周期表的底部，它們有能誘導成相同自旋排列的數(shù)量非常眾多的電子。由鈷和稀土元素釤的化合物制成的磁鐵能夠儲存的磁能是磁鋼磁鐵的兩倍以上。但是，這場磁性展覽會的明星無疑是由稀土元素釹加上鐵和硼制成的磁鐵。到了20世紀90年代，這些釹磁鐵的磁性已經(jīng)達到這種程度：指尖那么點大的磁鐵就能創(chuàng)造出比地

7、球的鐵心還要強幾千倍的磁場。“在室溫下，釹磁鐵是我們所知的最強的磁鐵?！笨邓固苟∧岬滤拐f。在室溫下，早期的釹磁鐵有一個惱人的缺點——熱振動有一個擾亂仔細排列好的電子自旋的習慣，所以釹磁鐵在溫度超過100°C時會消磁而失去磁性?？墒?，只要多一點修補，就有一個現(xiàn)成的解決辦法。對于一個熱穩(wěn)定更強的結(jié)構(gòu)，你只需把一小部分（百分之幾）的釹原子換成其原子序數(shù)更大的同族的稀土元素鏑。磁性革命的舞臺就這樣搭好了。哪里需要以最小體積的磁鐵產(chǎn)生最大的磁場，就是釹磁鐵的用武之地：轎車里的動力方向盤，驅(qū)動硬盤、CD和DVD轉(zhuǎn)動以讀取數(shù)據(jù)的主軸電機，移動揚聲器和

8、耳機中把電脈沖轉(zhuǎn)化為聽得見的聲音波紋的隔膜，產(chǎn)生醫(yī)學磁共振成像所需的難以置信的強磁場。到2010年，盡管在銷售比重方面，既便宜又大塊頭的鐵氧體磁鐵仍然是主導，但是在價格方面，釹基磁鐵卻以2比1勝過了其他所有