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科技洞察 丨 深入科技行业最前沿
随着中美贸易紧张局势的升级，稀土元素成为人们关注的焦点之一。
一个常用的比喻是，如果说石油是工业的血液，那稀土就是工业的维生素。
但是，你真的了解什么是稀土元素吗？本期就跟你详细说一下。
▏什么是稀土元素？
稀土元素是一组金属的简称，总共有17个。我们初中的时候都学过元素周期表，稀土元素就是下图元素周期表中橙色的部分。
这17个元素，在很多产品里都发挥着至关重要的作用，有的甚至是我们每天都在使用的产品，包括：
iphone、AirPods的消费电子产品；
特斯拉汽车部件；
美国通用电气的涡轮机；
飞利浦医疗扫描仪器；
军用喷气式战斗机；
……
下面列举了17个稀土元素的部分应用。稀土元素应用在各行各业，包括从汽车、医疗、计算机到航空航天。相信你看了就能感受到稀土元素是有多重要了。
Sc：航天零部件，铝合金部件
Y：激光器，电视、电脑显示屏，微波过滤器
La：石油冶炼设备，电动汽车的电池，数码相机的镜片
Ce：化工设备，玻璃镜片
Pr：航天发动机
Nd：电脑硬盘，手机部件
Pm：X射线机，核电池
Sm：高功率磁铁，PCB电路板
Eu：电视、电脑显示屏，激光器，光学电子设备
Gd：癌症治疗设备，MRI造影剂
Tb：固体电子设备，声纳系统设备
Dy：激光器，核反应堆
Ho：激光器，高功率磁铁
Er：纤维光学器件
Tm：X射线机，超导体
Yb：X射线机，激光器
Lu：化工设备，LED器件
▏稀土元素的提取有多难呢？
由于在地壳里，这些稀土元素与许多其他不同浓度的矿物混杂在一起，因此提取非常复杂。
未经加工的天然原矿开始准备加工时，要运输往专门的稀土元素分离设施工厂，整个提取过程要通过数百个加工室（liquid-containing chamber），从而把单个的元素分离开。而这个过程可能要重复上百次，有的甚至上千次，才能完成一种元素的提取。
由于稀土元素具有某种独特的特性，比如磁性、光学性能或者化学特性，因此在高科技产业中特别有价值。
一名工人在中国江西省南城县的稀土金属矿场工作丨图：赵杰，Getty Images
▏稀土元素哪里最多？
下图是美国稀土元素的进口情况。我们看到，通过中国进口稀土元素的比例，远远超过其它国家。
中国稀土矿藏丰富，雄踞着三个世界第一：储量第一，生产规模第一，出口量第一。同时，中国还是唯一一个能够提供全部17种稀土金属的国家。
美国将稀土元素作为国际经济和国家安全的关键因素，稀土元素也被特朗普政府特别豁免了关税。
数据来源： October 2011 issue of Scientific American
美国的稀土储量仅次于中国，但其从1999年开始，就采取封存等手段逐步停止开采本国稀土资源，转而从中国大量进口。
目前在美国，加利福亚州南部的帕斯山(Mountain Pass)稀土矿场是美国重要的稀土元素生产地。美国曾经在这个地方投资了15亿美元用来生产稀土元素，但是由于来自中国的竞争，导致了矿场运营公司在2015年破产。
据了解，该矿场的新业主MP Materials公司计划从2020年开始，重新启动该矿场的运营，每年生产大约5000吨两种受欢迎的稀土。
美国帕斯山(Mountain Pass)稀土矿场
除了中国以外，美国还从澳大利亚进口稀土。澳大利亚公司Lynas Corp经营一座矿山，将天然矿石运往马来西亚的工厂来加工提取稀土元素。这家澳大利亚公司最近宣布与美国Blue Line公司合作，在美国本地建立一个稀土加工厂，从2022年开始运营。
▏稀土紧缺，有替代方案吗？
开采稀土并不是完全没有缺点。美国圣母大学（University of Notre Dame）政治学副教授Eugene Gholz认为，在没有严格监管的情况下，开采稀土会产生严重的环境影响。
比如，矿石中放射性元素钍，可能会对人类健康构成威胁。在采矿和加工提取的过程中也会涉及有毒废水的排放，这些危险的废弃物都需要进行严格的储存和处置。
据了解，出于种种原因，现在有的公司在寻找另外的替代方案，绕开稀土元素的使用。
比如在汽车行业，日本的稀土元素在2010年一度出现紧缺，丰田和本田等日本汽车制造商开始开发电动汽车，减少甚至消除了电动机中使用的强力磁铁等稀土元素——铽和镝。
另外，同样是2010年，在稀土元素镧的价格上涨时，炼油厂停止了镧元素的供应，转而使用其它技术方案；玻璃制造工厂也放弃使用稀土元素铈来进行抛光，转而采用其它的抛光技术。
不过，大部分行业还是严重依赖稀土元素的，尤其是军工以及高科技产业。
▏稀土开采技术趋势：回收再利用
为了应对稀土元素紧缺的危机，美国宾夕法尼亚大学化学系教授Eric Schelter发起了稀土开采的研究项目，致力于回收废弃物里的稀土元素。美国能源部、橡树岭国家实验室都在与Schelter教授共同开发稀土开采项目。
Schelter教授认为，从稀土矿场里开采稀土是不经济的。而从废弃的电子设备里回收稀土，比从矿场里开采稀土更容易实现，因为从设备里提取出来的稀土更为纯净，也更环保。
Schelter教授其中一项研发成果就是从永磁体中分离稀土元素“钕”和“镝”，他们团队已经可以做到选择性地溶解任意一种稀土元素了。他认为，如果废弃物里的稀土元素能够被成功提取并得到大规模应用，那么这种技术就是“环保技术”的代名词，这样能够鼓励更多公司引入该技术。
美国宾夕法尼亚大学Eric Schelter教授与他们团队研发的稀土提取设备
除了Schelter教授团队，科学家开始尝试从电厂煤炭废弃物中提取稀土元素。另外，日本的研究人员已经开始调查位于日本附近海底沉积物中存在的大量稀土元素，希望有朝一日能够实现稀土元素的提取。
你从事的行业中，有应用稀土元素的案例吗？可以谈谈它们潜在的市场，或者能解决的行业问题。
欢迎在留言区分享你的观点。
参考来源：
Don’t Panic About Rare Earth Elements, by Jeremy Hsu, Scientificamerican, May 31, 2019
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