一组名称中带有“稀有”的元素，在现代世界几乎无处不在。如果没有稀土，消费文化、绿色科技、通讯，甚至国防和医疗保健方面都将是他们现在的影子。但现在稀土供应不足。米甲迈耶,beplay体育钱包负数他与宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的化学家埃里克·j·谢尔特(Eric J. Schelter)谈论了这些元素的重要性，以及科学如何能够避免这种短缺。

是什么让一种元素成为稀土?

ES:稀土是17种元素中的一类，它们并不特别稀有。它们在元素的发现中出现得相当晚，因为它们的化学性质彼此非常相似，以至于科学家很难将它们分离出来。历史上，它们被称为“稀有”，因为它们只在低浓度的矿物质中被发现，而且很难分离。

当涉及到化学性质时，一切都与电子如何填满它们的壳层有关。稀土元素代表元素周期表中的4f电子系列。这些电子被埋没在电子结构中，这使得它们具有非常纯粹和明确的原子性质。这种结构使它们具有非常有用的磁性和光学特性。

MM:我们如何得到稀土?

ES:稀土以混合物的形式自然存在。1911年，查尔斯·詹姆斯报告了可测量数量的纯铥的分离，但只有在他的不纯样品连续进行了15000次分步结晶之后。那个世纪后期，弗兰克·哈罗德·斯佩丁(Frank Harold Spedding)发现了一种生产纯稀土的更好方法——离子交换色谱法。大约从1954年开始，稀土开始走出实验室:最早的应用是在彩电上。如今，纯稀土在工业规模上是通过液-液萃取获得的，这一过程需要数百或数千次循环。

MM:为什么它们对现代科技如此重要?

ES:激光是稀土的主要使用者，特别是钕。传输信息的光纤，例如传输互联网流量的光纤，使用铒。稀土还被用于声纳设备和夜视镜。铈和镧是石油裂解制汽油的重要原料。

在现代科技中，磁铁无处不在。将风力转化为电能的涡轮机需要永磁体，而稀土是无与伦比的;要扩大风能技术的规模并使其更广泛地应用，就需要稀土。它们也是混合动力和电动汽车的重要组成部分，从电池到动力系统。

稀土被称为工业中的维生素。他们利用风力涡轮机等应用，并因为其特殊的特性而改进技术。它们被用于超导体。它们在医学成像中很重要:MRI扫描的对比度是用钆化合物产生的。

MM:如果稀土很常见，我们为什么要担心短缺呢?

ES:开采和分离稀土会造成巨大的环境损失:酸性和放射性废料是开采和分离过程的副产品。除了在中国，这种浪费被高度管制，这增加了生产成本。因为这些材料是如此的至高无上，在过去的二三十年里，我们开始依赖中国廉价运输的能力。美国国防部依赖中国供应商;可再生能源产业依赖中国。现在，一切都回到了中国:他们正经历着如此惊人的增长，以至于他们的稀土出口产业现在正在转向国内。更多的稀土留在了中国。

自詹姆斯和斯佩丁的工作以来，分离稀土的基本原理一直没有改变。然而，如果我们能改进分离技术，就意味着要处理的有害物质会更少。

MM:有什么解决短缺的办法吗?

ES:许多化学家认为稀土“化学乏味”，因为添加电子不会改变它们的化学性质，而这种性质使它们难以分离。我想把它们的磁性和化学成分联系起来，让每一种元素都与众不同，这样它们就能更容易地分离出来，对环境的影响也更小。

作为起点，我的小组正在研究铈元素，因为它更容易添加和移除它的4f电子。结果是很容易拉出4f电子只要我们用正确的原子包围铈离子。我们即将知道如何利用其他几种高价值的稀土。如果我们能做到这一点，我们就取得了突破:我们可以有选择地从混合物中提取我们想要的稀土。

目前纯稀土材料的短缺并不是因为元素的短缺。基础科学知识有点缺乏。我对这个想法很兴奋，这个想法是制作一些有用的东西，可以满足重要的需求。科学不是孤立于现实世界。这是当今科学家的一个重要方面——展示为什么科学很重要。