撰文：维多利亚.阿特金森                  2023年10月3日

为什么开采钕等稀土元素如此具有挑战性（如图）？（图片：RHJ通过盖蒂图片社）

稀土元素具有许多有用的特性，这使它们受到科技和能源行业的高度追捧。这17种金属的集合，包括元素周期表底部的15种金属元素，以及钇和钪元素。

其中最有价值的是钕、镨、铽和镝，它们是超强和小型化磁铁，是智能手机、电动汽车电池和风力涡轮机等电子产品的重要组成部分。然而，它们有限的全球供应，是政府和企业的一大担忧，因为它们需要这些金属来继续制造各种现代必需品。

但是为什么稀土元素如此稀少呢？

事实证明，它们并没有那么罕见。美国地质调查局对不同元素的“晶体丰度”进行的一项研究发现，大多数稀土“与铜和锌等常见金属在数量级上相同”，弗吉尼亚理工大学采矿和矿产工程系主任、教授亚伦.诺布尔告诉《生活科学》。“它们肯定没有银、金和铂等金属那么稀有。”

尽管这些元素相当常见，但很难从天然来源中提取出来。

西弗吉尼亚州水研究所所长保罗.泽姆凯维奇在接受《生活科学》采访时表示：“‘麻烦的地球’应该是一个更好的名字。问题是，它们并没有那么集中在一个地方。在美国所有页岩中，稀土含量约为每公斤300毫克（每磅0.005盎司）。如果你在后院挖洞，你会得到什么。”

通常，由于不同的地质过程，如熔岩流、热液活动和山脉形成，金属集中在地壳内。然而，稀土元素不同寻常的化学性质意味着，这些金属通常不会在这些特殊条件下聚集在一起。因此，这些元素的痕迹遍布全球，使得开采这些材料的效率特别低。

偶尔，地下的极端酸性条件会略微增加某些地区的稀土元素含量。但找到这些难以捉摸的富集点，只是第一个挑战。

在自然界中，金属以称为矿石的化合物的形式存在，矿石中含有通过强离子键与其他非金属物质（称为抗衡离子）连接的金属颗粒。为了获得纯金属，必须打破这些键，并去除抗衡离子——但这种分离的难度取决于所讨论的金属和抗衡离子。

矿石可以存在于各种金属中，而不仅仅是稀土元素。例如，铜和铁也可以形成矿石。

泽姆凯维奇解释道：“铜矿石通常以硫化物的形式存在。你把矿石加热到它以气体的形式排出硫化物的程度，纯铜就会从反应容器底部流出来。这很容易提取，其他的，比如氧化铁，需要一种添加剂来释放金属，但稀土的分离要复杂得多。”

稀土金属自然具有三个正电荷，并与磷酸盐抗衡离子形成难以置信的强离子键，每个抗衡离子都具有三个负电荷。因此，提取过程必须克服正极金属和负极磷酸盐之间的强大吸引力——这不是一项小任务。

诺布尔说：“这是一条非常漫长而复杂的纯金属供应链。稀土矿石是化学性质非常稳定的矿物，你必须投入大量的能量和化学强度才能将其分解。通常，这一过程需要非常低的pH值、非常苛刻的条件和非常高的温度，因为将矿石结合在一起的键合非常牢固。”

正是这种提取纯元素的困难给稀土元素起了名字。一些研究人员正在研究新的方法，从旧的电子产品和工业废物中回收和提取这些有价值的金属，以减轻当前供应的压力；其他人则试图在新化合物中重现不同寻常的磁性和电子性质，为这些难以捉摸的金属提供一种替代品，从而产生更容易获得的、人类制造的类似稀土元素的化合物。

尽管需求猛增，但就目前而言，麻烦的稀土是无可替代的。