失去吸引力磁铁正在耗尽

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1、失去吸引力：磁铁正在耗尽蔡立英/编译●我们开车兜风、打电话给朋友、为我们的地球提供动力，磁铁储量正在逐渐减少的事实与我们大家息息相关。我们能成功创造磁性奇迹吗？绿色能源革命正在消耗我们所储备的最好的磁铁制造元素劳拉·刘易斯（LauraLewis）叹了口气。“我们跟磁铁打交道的日子一直都不好过，”她说，“人们认为，‘是呀，是呀，磁铁在冰箱上，有什么大不了的。’”在波士顿东北大学研发新磁性材料的刘易斯却不这么认为。磁铁远非只是冰箱上的新玩意或是学校实验中吸引铁屑的谜一样的“牧羊人”，永久磁铁这一能够自己创造磁场的金属块，是巩固我们现代生活中

2、许多技术的核心。包括从智能手机到耳机在内的各种个人物品，它们光滑发亮而紧凑小巧的外形归功于最新的磁性极好的磁铁。但是磁铁的影响远不止于此。“我们的世界依靠能源运转：轿车、涡轮机、计算机、卫星、交通等等，都需要磁铁。”位于纽约罗切斯特的阿诺德磁技术公司的史蒂夫·康斯坦丁尼德斯（SteveConstantinides）说。现在，危机正在逼近。受到世界对能源的无法满足的胃口的鼓舞，对最好的磁铁的需求正在史无前例地激增。麻烦是，我们不知道这些磁铁从哪里弄到。于是，康斯坦丁尼德斯、刘易斯和他们的同行突然之间发现，人们对他们的研究产生了前所未有的兴

3、趣。制造一块好磁铁并非易事。19世纪，经典电磁理论告诉我们，当电荷移动时就会产生磁场，而自然形成的磁场可以使电荷移动。这点知识足以把大量的铁块这种自然界中最明显的磁性材料用于核心电力技术——比如马达、发电机和变压器。在那里，铁块储存能量，把机械功转化为电流，或是反过来把电流转化为机械功，一直到今天都是如此。但是要解释像铁这种永久磁铁是如何获取并保持这种产生磁场并回应磁场作用能力的，则需要许多20世纪的物理学知识。最后都归结到原子中电子的行为。把量子原理和爱因斯坦的相对论运用到这些电子上，你会发现每一个电子都像是一个微小的条形磁铁，它们的

4、南北极排列取决于电子的量子力学的自旋值。在大多数材料中，这两种相反的自旋排列的电子数量是相等的，所以总体而言不显磁性。但是也有一些元素比如铁以及元素周期表中与它相近的元素——钴和镍，如果原子的最外层电子也就是关系到化学键的那些电子以相同的自旋排列，总排列的能量就会降低。把这些电子牢牢地锁定在固体结构，这样它们就能以相同的自旋排列，然后施加一个磁场，那么你的材料自身的磁场将永远消失。这样，你就得到了永久磁铁。是磁铁，但一定就是好磁铁吗？“我为好磁铁须具备的条件列了清单，”康斯坦丁尼德斯说，“这是一个蛮长的清单。”现代的铁基或是铁氧体磁铁，

5、其原材料既便宜又充足。它们相对而言磁性很强，并且还具有无与伦比的抗腐蚀性。但是它们有一个最大的缺点是能量密度低，这意味着你需要非常大量的铁氧体才能制造一个强磁场。“铁氧体磁铁又大又笨重。”刘易斯说。这对于工业中使用的高大的机器和大规模的发电机没什么问题，但是在电子产品小型化的时代，我们需要的是更小巧的磁铁。但是这种小巧的磁铁怎么制造出来呢？无数电子的相互作用以及它们在固体材料里的自旋对于理论物理学家而言过于复杂，他们无法确定电子的行为。所以制造更好的磁铁就很大程度有赖于冶金学家的黑魔法了：把有希望的元素化合物混合在一起，放到磁场里，然后

6、看看会发生什么。这种“试着看看”的方法经常有效。20世纪30年代混合出来的铝钴镍合金或是叫“磁钢”的磁铁把最好的铁氧体的能量密度翻了不止一倍。但是真正的突破是在20世纪70年代以后，科学家发现镧系元素或者叫稀土元素具有磁势。这些镧系元素漂泊无依地被排在元素周期表的底部，它们有能诱导成相同自旋排列的数量非常众多的电子。由钴和稀土元素钐的化合物制成的磁铁能够储存的磁能是磁钢磁铁的两倍以上。但是，这场磁性展览会的明星无疑是由稀土元素钕加上铁和硼制成的磁铁。到了20世纪90年代，这些钕磁铁的磁性已经达到这种程度：指尖那么点大的磁铁就能创造出比地

7、球的铁心还要强几千倍的磁场。“在室温下，钕磁铁是我们所知的最强的磁铁。”康斯坦丁尼德斯说。在室温下，早期的钕磁铁有一个恼人的缺点——热振动有一个扰乱仔细排列好的电子自旋的习惯，所以钕磁铁在温度超过100°C时会消磁而失去磁性。可是，只要多一点修补，就有一个现成的解决办法。对于一个热稳定更强的结构，你只需把一小部分（百分之几）的钕原子换成其原子序数更大的同族的稀土元素镝。磁性革命的舞台就这样搭好了。哪里需要以最小体积的磁铁产生最大的磁场，就是钕磁铁的用武之地：轿车里的动力方向盘，驱动硬盘、CD和DVD转动以读取数据的主轴电机，移动扬声器和

8、耳机中把电脉冲转化为听得见的声音波纹的隔膜，产生医学磁共振成像所需的难以置信的强磁场。到2010年，尽管在销售比重方面，既便宜又大块头的铁氧体磁铁仍然是主导，但是在价格方面，钕基磁铁却以2比1胜过了其他所有