稀有怪异的“金属群”

窦光宇

在2008年度国家科学技术奖励大会上，来自北京大学的徐光宪院士，因在稀土材料研究方面成绩卓著而获得国家最高科技奖。对于徐光宪院士，本刊读者并不陌生，因为他曾为本刊撰文，介绍21世纪化学科学的前沿问题以及今天化学家的任务，其中重要的就是要在材料科学领域找到突破口，开发出新型稀土功能材料。“稀土”这种材料究竟有什么神奇的魔力呢?

稀土金属是一类稀有矿物的总称，指化学元素周期袁中的锎系元素，其中包括：镧(La)、铈(ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系15个元素密切相关的2个元素：钪(sc)和钇(Y)，加在一起总共有17种金属元素。

稀土金属是从瑞典开采出来的一些比较稀少的矿物中被发现的，“土”是按当时的习惯指不溶于水的物质，将两者结合在一起故称“稀土”。根据稀土金属原子电子层结构、物理化学性质以及它们在矿物中共生情况的不同，17种稀土金属通常被分为两组。一组是轻稀土(又称铈组)，包括：锎、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆；另一组是重稀土(又称钇组)，包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。这两组稀土金属之所以称铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势，分类名称也由此而来。

稀土元素通常在地壳中聚集出现，它们的物理性质和化学性质又比较接近，所以，对稀土元素的分离非常困难。稀土元素的提纯成为化学研究中的一个巨大难点。从1794年芬兰人加多林最先分离出钇，到1947年美国人马林斯基等人最后制得钷，对这17种稀土元素的逐一完全提纯，总共经历了150多年。

稀土元素的电子能级极为丰富，因此，具有十分丰富的光、电、磁等性能。稀土元素化合物的配位数可在3～12的范围内变化，而利用增加和减少配位数的方法催化反应的进行，正是催化剂的工作原理。因此，许多稀土元素都可以做为理想的催化剂，起到“点石成金”的作用。

目前，世界上发现的稀土矿物约有250种，但具有工业价值的稀土矿物只有50～60种；其中，具有开采价值的更少，只有10种左右。世界稀土资源的拥有国，只有中国、美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等少数国家。我国的稀土资源占世界的41.36％，探明的储量居世界之首。现在，中国生产的高纯度稀土已占世界产量的80％以上。比较著名的产地有白云鄂博稀土矿、山东微山稀土矿、冕宁稀土矿等。

增进健康的“好帮手”

近年来，对稀土在医药方面的研究应用，正在不断深入和扩展，对增强人体健康起到了十分有益的作用。

早在20世纪70年代初期，稀土荧光粉就被用于X射线增感屏。经过不断改进，国内已用稀土元素镧或铕，生产出性能更加优异的感光屏，提高了动态脏器投照的清晰度和诊断水平。照射时间仅为钨屏的1／3～1／4，从而降低对病人的辐射剂量。同时，还延长了设备的寿命，节约了能源。

在核磁共振影像诊断中，稀土元素可以作为图象对比度增强剂，更好地改善大脑、肾、肝、胃肠道等器官图像，增强核磁共振影像。而且它们无毒，很快就可以经尿液排出体外。

研究发现，一定剂量的混合稀土或单一稀土元素对多种肿瘤细胞生长有抑制作用。稀土还可以增强抑癌基因表述，提高抗肿瘤免疫功能和抗氧化功能，为今后把稀土用于肿瘤治疗开发出新的领域。

低浓度稀土化合物具有抑菌、杀菌作用，现已得到证实。例如，0.25％～0.5％的硝酸铈、硫酸铈溶液对绿脓杆菌、金色葡萄球菌、肺炎杆菌、奇异变形杆菌、粪链球菌、大肠杆菌等有强烈的杀菌作用。当它们作为治疗烧伤药物使用时，对烧伤的创面有较强的杀菌作用，还可防止烧伤后肌体的免疫抑制作用。

社会发展的“维生素”

稀土元素虽然不像铁、硅、锗等元素那样在社会发展的某一方面起到担纲作用，但它们的用途十分广泛，冶金、石油、化工、轻纺、医药、农业等无所不包。就像人体健康成长所需要的维生素一样，对社会发展也起到必不可少的推动作用。

在一些传统产品中加入适量的稀土，就会产生许多神奇的效果。以彩电为代表的家电产品，广泛应用了含有稀土的荧光、抛光、功能陶瓷、玻璃添加剂等多种功能材料，不仅带动了20世纪80年代稀土材料的开发应用，也为这些产品的升级换代起到了关键作用。20世纪90年代以来，以计算机为代表的电子信息产业飞速发展，稀土材料便更有用武之地了。

由于稀土元素在光、磁、电领域能够产生特殊的能量转换、传榆、存储功能，因此，科学家通过对稀土原料的加工，相继开发出了稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土激光材料、稀土贮氢材料、稀土光纤材料、稀土磁广存储材料、稀土超导材料和稀土原子能材料等等，为世界高新技术的发展提供了基础。其中，稀土永磁材料就是一个很突出的代表。它的磁性可以高出普通永磁材料的4～10倍。其中，钕铁硼永磁体是目前发现的磁性能最高的永磁材料，被称为超级磁体和当代永磁之王，现已应用于计算机硬盘驱动器、磁碟机、电脑光碟、传真机、打印机、复印机等设备中。由于此类材料具有超乎寻常的功能，使电手信息设备在不断提高性能的同时，也实现了轻、薄、小型化。稀土永磁材料还在各类电机、核磁共振仪器、磁悬浮列车等领域有着广泛的应用，并被确定为电动汽车主发动机的首选材料。

稀土贮氢材料贮存密度大于液氢，体积却只有普通钢瓶的六分之一。目前应用最为成功的是镍氢电池，其等体积充电容量是目前广泛使用的镍镉电池的两倍，而且没有记忆效应和镉污染；与锂离子电池相比，具备价格低、安全性能好的优势，被各国科技和产业界称为“绿色电池?，已大量应用于便携式电器、移动电话等无线电子设备，并可望成为电动汽车的电源。

稀土金属容易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物，因此在钢水中加入稀土金属，可以起到净化钢的效果。由于稀土元素的金属原子半径比铁的原子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化而提高钢的性能。稀土钢能显著提高钢的耐磨性、耐磨蚀性和韧性。稀土铝盘条能在缩小铝线细度的同时提高其强度和导电率。

稀土元素的离子可以与羟基、偶氮基或磺酸基等形成化合物，从而使稀土广泛用于印染行业。某些稀土元素如钐、铕、钆、镝和铒，具有中子俘获截面积大的特性，可用作原子能反应堆的控制材料和减速剂；而铈、钇的中子俘获截面积小，则可作为反应堆燃料的稀释剂。稀土还具有类似微量元素的性质，可以促进农作物的种子萌发，促进根系生长，促进植物的光合作用，因此，在农业生产中也有着重要作用。

在生活中，我们每天也都会与稀土材料打交道。目前，汽车尾气净化催化剂是稀土应用量最大的项目之一。计算机显示器及各种电子显示屏和荧光灯，都离不开稀土荧光材料。稀土氧化物可以用于制造各式各样的特种玻璃。比如，含稀土元素镧的玻璃是一种具有优良光学性质的玻璃，这种玻璃具有高的折射率、低的色散和良好的化学稳定性，可用于制造高级照相机的镜头和潜望镜的镜头。稀土氧化物还可以用于制造彩色玻璃：加入钕可使玻璃变成酒红色；加入镨可使玻璃变成绿色；加入铒可使玻璃变成粉红色。这些彩色玻璃色泽变幻莫测，可以用来制造装饰品，装点人们的生活。