稀土元素（Rare Earth Elements，REE）從18世紀末葉開始陸續被發現，共有17種，包括化學元素週期表中的15種鑭係元素——鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu），以及與鑭係元素密切相關的兩個元素鈧（Sc）和釔（Y）。

　　如果你在手心粘上一小塊釹磁鐵碎片，手掌向下伸開，置於桌上。掌骨是人體磁性最強的部位，手掌骨被磁化後將在你的手背上形成一個強磁場。這時你膽敢在手掌和手背上各放上一塊稍大的釹磁鐵，強力的磁場可能生生把你的骨頭弄裂！

　　這就是稀土元素的磁性特徵。

　　稀土元素被廣泛應用於電子、石油化工、冶金、機械、能源、輕工、環境保護、農業等領域。應用稀土可生産熒光材料、稀土金屬氫化物電池材料、電光源材料、永磁材料、儲氫材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超導材料、磁致伸縮材料、磁致冷材料、磁光存儲材料、光導纖維材料等。

　　大多數稀土元素呈現順磁性，比如釓在0℃時比鐵具更強的鐵磁性。某些稀土元素的磁性特徵使其在電動汽車、混合動力汽車、風力發電，甚至國防工業等方面大顯身手。用過蘋果 iPad 2 的原裝保護套就會到磁性是如此重要。而稀土金屬所産生的永久性強磁則可以用“性感萬分”來修飾。

　　美國最近啟動了本國稀土元素的開發，最著名的是位於加州莫哈韋沙漠東部的芒廷帕司稀土礦山（Mountain Pass，見上圖），主要開採鈰、釹等金屬。該礦山曾經是世界上最大的稀土礦山之一，具有50多年的開發歷史，超過50英畝（約合20萬m2）的大型露天採坑。2002年由於環保問題，以及中國廉價出口的影響被迫關停，默默沉寂了10多年（圖中的積水正是由於長期停工造成的）。

　　中國曾滿足世界上95%的稀土金屬需求。去年9月，中國政府暫停稀土對日本的出口兩個月，世界倍感恐慌，紛紛加大對本國資源的安全控制。由於全球對稀土金屬的強烈需求，美國稀土生産商和技術公司 Molycorp Minerals 去年12月重新啟動了開採作業。該公司目前是西半球唯一的稀土金屬生産商，也是中國之外屈指可數的稀土開發礦商之一。

　　但即使中國不採取限制性政策，美國加州芒廷帕司礦山全力恢復生産，全球性的稀土供不應求局面也很快會到來。特別是釹和鏑，它們廣泛用於産生強磁，是電動汽車、混合動力車和風力發電設備必不可少的組件。美國能源部預測，由於電動汽車和風力電廠的快速擴張，2015年將出現這些稀土金屬的緊缺。

　　澳大利亞的一些礦山也在開發作業，跟美國的芒廷帕司稀土礦加在一起能夠在某種程度上提高全球性供給，但還遠不足以解決未來幾年的稀土危機。

一台電動汽車可能需要使用的稀土金屬

　　最要命的是，目前還沒有發現或者發明出用於産生永久性強磁的替代品。許多人也許還不知道，連家庭的電冰箱都需要這些強磁組件。同重量的釹鐵合金能産生比其它任何物質強達4-5倍的永久性磁體。每台豐田普銳斯的發動機需要使用大約1kg的稀土金屬，而每個風力發電機組則需要上百千克的稀土金屬。

　　尋找替代品的努力一直沒有停止，但僅有的突破到工業化生産也需假以時日。美國現在面臨的另一個棘手問題是人才荒，在當年關閉這些礦山後，強磁生産商和專家都轉移到亞洲，以尋求更加毗鄰礦山且降低勞工成本。如此一來，研究機構和公司在磁産品生産和研發上興趣陡降，雖然現在科研資金充盈，但缺乏人才、工業和礦山以付諸實踐。

　　稀土金屬的選冶工藝複雜，而且帶來種種環境問題。美國的芒廷帕司稀土礦山幾經週折，吸引投資並上市後，開啟了美國稀土生産的新紀元。但該礦山更多的是富集輕稀土，而能在高溫條件下工作的強磁組件則必須使用大量重的稀土元素。

　　另一個棘手的問題是，美國當年關閉稀土礦山後，絕大部分的下游工廠也相繼倒閉、關停。美國礦山現在只能生産出稀土礦石，而將礦石提純加工成磁體的企業和設施幾乎僅僅分佈在中國，雖然馬來西亞正在試圖建設一個新廠。另外，磁工業又聚集在中國和日本，日立金屬公司掌握了製造稀土合金和強磁體的專利。雖然日立金屬公司和 Molycorp 公司簽訂了合作協議，但在美國生産這些産品還需進口大量的重稀土金屬。

美國的芒廷帕司稀土礦山山口處的氟碳鈰礦原石

　　科學家正在努力研究改變鋁、鎳、鐵和鈷合金的結構，使用納米級別鐵-鈷針狀物和鋁的合金來研發可能的替代品。但需要多久才能取得實質性成果，如何將理論研究推向工業材料學實踐等等問題還在雲霧之中。研究的終極目標是生産不含稀土金屬的強磁體。令人沮喪的是，貌似沒有任何物質能夠替代稀土磁體，因為自1983年以來，尚且沒有任何産品可以，哪怕是接近稀土磁鐵的超級性能。

　　更為實際的是，科學家正在探索生産更高效的稀土磁鐵産品。目前的工藝是加熱壓縮磁性物質，生産大型塊體，爾後切割成預先設計的形狀。這種加工工藝和流程，産生了大量的金屬氧化物廢渣，其中嵌有大量切割刀片的碎末；而這些廢渣無法用來重新生産磁體。研究如何利用這些廢渣，或者開發更好的工藝來直接成型産品而不産生廢渣，將會為該行業帶來福祉。

　　稀土礦原石經粉碎、篩檢後得到稀土氧化物，稀土氧化物再經複雜的處理過程才能得到超強磁力的釹金屬

　　如果未來幾年稀土金屬供不應求，而且還沒有尋找到合適的替代品，我們將不得不使用衰減性而不是永久性磁鐵來生産電動車和混合動力車。這將使得清潔能源産品的性能和壽命大受影響。

　　僅有少數專家對未來持樂觀態度，他們認為稀土資源儲量足以滿足大規模清潔能源科技（如電動車、混合動力車、風力發電廠等）的發展。一家著名研究所的所長泰勒（Patrick Taylor）則深感擔憂：“人類想大力發展新能源經濟，但我們面對的是有限的資源和持續升溫的需求。”當被問及中國何以能夠牽制全球時，他感慨道：“20多年前，當大量的技術和專家涌入中國的時候，世界上其它國家竟然沒有任何人表示關注。”

　　中國未曾主動牽制他國，而他國過去的種種所為造成了捉襟見肘的現狀。西方國家在保護本國資源安全的同時，亦大量廉價購買並囤積了中國出口的稀土金屬。他們現在面臨資源的緊缺、人才技術的匱乏也許只是短期的表象。美國等國家地下蘊藏的大量稀土資源、其經濟競爭力、科技水平，以及礦業和資本市場的豐富運作經驗；必將在不遠的將來形成對中國的制衡。

　　但從全球稀土資源總儲量上來講，清潔能源産業無論是虛為其名，還是切實保護環境的目的驅動下的蓬勃發展，必將造成未來稀土資源的真正危機。而中國的出路又在何方？

　　本文編譯自《麻省理工科技創業》雜誌材料科學編輯 Katherine Bourzac 撰寫的 The Rare-Earth Crisis 一文，原文載于《麻省理工科技創業》2011年5/6月刊。