好磁铁是“乌合之众”

“磁铁”

是怎么造出来的？

“磁铁”，科学的称呼叫永磁体，以有别于通电就有磁性的电磁铁。它是现代许多技术的核心，手机、耳机等小巧设备中的扬声器，需要永磁体把电流信号转化为声音信号，因为有了超强的永磁体，它们现在才可以做得这么小巧。此外，电动汽车、涡轮、电脑、卫星等等，都需要永磁体把电能和机械能相互转化。

那么永磁体是怎么造出来的呢？

要制造一块永磁体并不难。中学电磁学就告诉我们，电荷的运动产生磁场，而磁场又可以使电荷运动。正是由于这一点，像铁芯之类的永磁体才在电动马达、发电机和变压器中扮演了核心的角色。在那里，它们或存储能量，或把机械能和电能相互转化。这些设备至今还在我们的生活中发挥巨大作用。

但要解释像铁之类的材料是如何获得和保有磁场的，这就需要一点现代物理学的知识了。这一切都跟固体原子中电子的行为有关。我们知道，电子是有自旋的，而电子本身带电，电荷的运动产生磁场，所以它就类似一个小磁针。磁针的朝向依赖于电子自旋的朝向。在大多数元素的原子中，因为最外层电子（也就是决定元素化学性质的那些电子）的自旋朝向往往正好两两抵消，所以元素的原子不带磁性。但像铁和在元素周期表上与它相邻的元素，如钴和镍，它们的原子只有最外层电子自旋朝向相同时才稳定，这就决定了它们总是倾向于自旋朝同一个方向，所以这些元素的每一个原子都好比一根小磁针。

不过尽管如此，哪怕这些元素的一大堆原子聚在一起，“磁针”杂乱无章地排列着，磁性两两抵消，整块材料还是显不出磁性来。只有等施加一个外部磁场，才能把这些“磁针”的朝向调到一致的方向上。等外磁场撤走后，材料依然保有磁场。这样，你就得到了一块永磁体。

稀土永磁材料登场

要制造一块永磁体就这么简单，但要制造一块好的永磁体，却并不容易。用于制造永磁体的材料很多，我们可以开出很长一张单子。用的最多的是铁氧体，因为它相对便宜，抗腐蚀能力也无可匹敌。但它有一个致命的缺陷：磁性不够强。为了产生一个强磁场，你得需要数量惊人的铁氧体。所以包含铁氧体磁铁的设备一般都庞大、笨重。

这一切对于大型的机械设备当然不成问题，但在这个微电子时代，我们需要更加小巧的东西，这就需要磁性更强的永磁材料。但如何获得呢？在一块固体材料中，电子的数量太庞大了，对于理论计算来说太复杂了，所以理论家很难给出指导性的建议。在这种情况下，寻找更好的永磁材料很大程度上依赖于冶金家的瞎摸瞎撞：把有希望的各种元素混合起来，放到外磁场下，看看能发生什么。

你可别小看这种“土办法”，它还频频凑效呢。用这土办法，1930年代研制出的铝钴镍磁体的磁性，比最好的铁氧体磁铁几乎翻了一倍。但在这一领域，一连串的突破则发生在1970年代以后，因为人们发现了一种制造永磁体的极好材料――稀土金属。

稀土元素在元素周期表上又称“镧系元素”，原子序数从57排列到71。重要的稀土元素包括：原子序数为60的铷（Nd）、62的钐（Sm）和66的镝（Dy）。这些元素有一个特点，即它们原子中能够让自旋朝同一方向排列的电子非常之多。1970年代，人们拿钴和钐按一定比例混合，制成永磁材料，发现其磁性是铝钴镍永磁体的两倍。

永磁体中最耀眼的明星

不过，永磁材料中一颗无与伦比的耀眼明星是用稀土元素钕加上铁和硼研制成的钕铁硼永磁体（Neo永磁体）。1990年代，指尖般大小的一块这种永磁体，在等距离的条件下，其强度是地球液态铁核产生的磁场的数千倍。要知道，地球表面与地球产生磁场的液态铁核的距离平均有2900千米，也就是说，在远离Neo永磁体2900千米的距离上，Neo永磁体的磁性要比地球磁场强数千倍。

在室温环境下，Neo磁体是迄今最强的永磁体。

但这只是在室温条件下。早期的Neo永磁体有一个恼人的缺陷：对温度很敏感，温度升高，磁性就显著下降，高于100摄氏度就完全去磁了。但现在人们已经找到一个改进措施――在材料中加进少量的另外一种稀土金属镝，这种金属对温度变化就不那么敏感了。

与此同时，一场由永磁体带动的技术革命拉开了序幕。任何地方只要想用最少的材料产生最强的磁场，那么Neo永磁体就成了首选：小汽车上的引擎，CD和DVD读取头上的主轴电动马达，在耳机和扬声器里把电信号转化成声音的振动膜，在医疗上磁共振技术中需要的超强磁场……到2010年为止，在市场上就成交量而言，虽然更便宜的铁氧体仍占优势，但如果按成交金额来算，Neo永磁体的成交金额是铁氧体的十几倍甚至上百倍。

但紧跟着麻烦也来了。当Neo永磁体被研制出来之后，人们对稀土金属的需求飙升。稀土金属在地球上其实并不稀有――在地壳中含量为百万分之几――它们之所以为“稀”，是因为稀土矿很难被发现。在过去的10年里，世界上几乎所有稀土供应都来自中国。但正当全球需求飙升时，为了优先满足本国的需求，2012年我国开始对稀土出口采取管制政策。这让国外的电子和微电子工业陷入一片恐慌。

寻找新的永磁材料

每台电脑上只需50克Neo永磁体。这看起来似乎并不多，但考虑到全世界电脑的数量，加起来几乎是一个天文数字。如今随着绿色能源技术的兴起，电脑的消耗又已经小巫见大巫了。风力发电站的涡轮马达，以及电动汽车和电动自行车，都需要轻便又强大的永磁体，而目前来说，只有Neo磁体才符合要求。每一辆电动汽车，需要消耗2千克Neo永磁体。而功率在兆瓦级的风力涡轮，则需要消耗2/3吨的Neo永磁体。预计从2010年到2015年，单风力涡轮对Neo磁体的需求，就要增加7倍之多。所以研制新的更强的永磁材料已经迫在眉睫，最好是降低稀土金属的用量，最理想的情况是不再使用稀土金属。

美国已经开始投入巨额资金寻找新的永磁材料。目前科学家正在设法提高铁镍合金永磁体的性能。通常，当把铁镍这两种磁性金属熔合在一起的时候，它们会形成无序结构，我们很难让这种结构里的电子朝同一方向排列。但有一个例外，那就是在一种叫正方镍纹石的矿石中，铁、镍原子一层层有规则地排布，一旦外加一个磁场，电子自旋就偏爱朝向同一个方向。

但这种矿物在自然条件下是非常难以形成的，尤其是在地球上。事实上，目前世界上唯一的一块正方镍纹石样品来自陨石，形成它至少花了数十亿年时间。十亿年对我们来说当然是太久远了。科学家的目标是在实验室合成它，完成大自然需要花费数十亿年才能完成的工作。

另一种正在进行的尝试看似完全“南辕北辙”，那就是用碳元素做永磁材料。众所周知，石墨和金刚石是没有磁性的，而且在纯铁中掺入碳，也会让它丧失磁性。但要是把由碳和其他一些元素组成的化合物做成纳米颗粒，那就是另一回事了。科学家发现，这种材料竟然表现出了很强的磁性。出于商业上的保密，这种材料是什么，怎么制造，目前科学家还不便透露。但他们说，这种永磁材料终有一天不论在性能还是在价格上都将打败Neo永磁体。