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中国“稀土之父”徐光宪

2015-12-04

大众科学 2015年5期
关键词:稀土化学

当今世界,每5项发明专利中便有1项和稀土有关。稀土在我们的生活中无处不在,可它的元素分离利用并不轻松,徐光宪为此奉献了一辈子的光阴

2015年4月28日上午10时18分,中国科学院院士、“稀土之父”、国家最高科学技术奖获得者、北京大学化学与分子工程学院教授徐光宪因病医治无效,在北京逝世,享年95岁。

三次改变研究方向

1920年11月,徐光宪出生于浙江省绍兴市,1944年毕业于上海交通大学化学系,1947年赴美留学,1951年获哥伦比亚大学理学博士学位,并当选为美国Phi Lamda Upsilon荣誉化学会会员和Sigma Xi荣誉科学会会员,科学前途一片光明。

然而,对祖国抱有一片赤子情怀的徐光宪毅然放弃在哥伦比亚大学任教的机会,克服美国为华人科学家设置的重重困难,回到一穷二白的祖国。归国后,徐光宪一直在北京大学化学系任教,指导了近百名博士生和硕士生。

高等学校化学系毕业的学生几乎都熟悉徐光宪编著的《物质结构》,这本站在国际化学前沿的教材自1959年出版以来,已修订再版印刷了20余万册,并荣获了1988年全国高等学校优秀教材特等奖。教书育人的同时,徐光宪在科学研究上也走出了传奇的一生。

1955年1月,中央决定要研制原子弹,提出“全民办原子能”的号召,要求北大、清华等许多高校建立原子能系,动员邻近领域的学者转行研究原子能。时任核工业部副部长的钱三强调徐光宪担任北大原子能系副主任,徐光宪开始从事原子核物理的教学和核燃料萃取化学的研究,并成立了核燃料化学教研室。

1964年,徐光宪参加了二机部绝密会议。在会上,徐光宪等提出,摒弃由苏联专家提供的沉淀法,以我国自行研究的、先进的萃取法筹建核燃料后处理厂,制造原子弹原料——钚。徐光宪等人的这一提议,使我国在苏联专家撤走后,在没有图纸的情况下,用较低的成本快速改建了还没有完成的厂房,使核工业在国家最困难的时候走上了快速发展的轨道。

1972年,北大化学系接受了一项紧急的军工任务——分离镨钕,纯度要求很高。从量子化学到配位化学,再到核燃料化学,直到此次的稀土化学,这已是徐光宪第3次改变研究方向了。

打破世界纪录

分离镨钕是一项“前无古人”的尝试。镨、钕都属于稀土元素,它们的化学性质极为相似,尤其是15种镧系元素,犹如15个孪生兄弟一样,化学性质几乎一致,要将它们一一分离十分困难,而镨、钕的分离更是难中之难。

阿基米德曾说,给他一个支点,他能撬动地球。徐光宪也找到了他的“支点”。他发现,无论萃取中油和水的条件怎样变化,但在大多数的条件下,油和水中金属离子各自的总浓度比是一个常数。换句话说,就是A、B两种元素放入油和水中,油中A+B离子数和水中A+B的离子数相比,得到的始终是一个常数,这就是“恒定混合萃取比规律”。

“恒定混合萃取比规律”的发现,使串级萃取理论最终建立。徐光宪和他的团队在此基础上提取了包含100多个公式的数学模型,并创建了“稀土萃取分离工艺一步放大”技术。在当时,一般萃取体系的镨钕分离系数只能达到1.4~1.5。徐光宪从改进稀土萃取分离工艺入手,使镨钕分离系数打破了当时的世界纪录,达到了相当高的4。

一排排看似貌不惊人的萃取箱像流水线一样连接起来,你只需要在这端放入原料,在“流水线”的另一端的不同出口,就会源源不断地输出各种高纯度的稀土元素。原来那种耗时长、产量低、分离系数低、无法连续生产的生产工艺被彻底抛弃了。

于是,在20多年前,国外稀土行业的跨国企业,被迫经历了一次巨变——“中国冲击”。正因为采用徐光宪的科研成果生产的单一高纯稀土大量出口,让那些曾经无视中国“稀土大国”地位的国家不得不面对这样一个尴尬的现实:中国生产的单一高纯度稀土占世界产量的80%以上,随着中国的高纯度稀土大量出口,使国际单一稀土价格下降30%~40%,包括美国钼公司、日本的稀土分离企业、法国的罗地亚公司等一些长期霸占世界市场的稀土垄断企业,分别不得不减产、停产、破产,或寻求同中国人进行分离技术方面的合作。中国终于实现了稀土资源大国向稀土生产大国、稀土出口大国的转变。为此,徐光宪被称作“稀土界的袁隆平”。

“我国虽然已实现从稀土资源大国到生产和应用大国的飞跃,但我们还要确保科技队伍后继有人,在其他科学领域还有许多课题要探索,我们要多学习、多研究。”徐光宪南方口音浓重,语气郑重,似乎鞭策着自己,也希冀着后人。

21世纪“战略元素”

邓小平曾说过:“中东有石油,中国有稀土,中国的稀土资源占世界已知储量的80%,其地位可与中东的石油相比,具有极其重要的战略意义,一定要把稀土的事情办好,把我国的稀土优势发挥出来。”

稀土元素,简称稀土,又称稀土金属,在通讯信息、石油催化、彩色显示、储氢材料以及超导材料等方面扮演着无可替代的角色,有工业“维生素”之称,并被美、日等国列为21世纪的“战略元素”。

稀土是现代工业的“味精”,是制造精密商业和军事电子装置、激光装置、光学器件、监视通信装置、磁体和电池的重要原材料。F-22超音速巡航的功能,靠的是其强大的发动机以及轻而坚固的机身,它们都大量使用了稀土科技造就的特种材料。

稀土金属钇的用途很广,钇铝石榴石可用作激光材料;钇铁石榴石可用于微波技术及声能换送;掺铕的钒酸钇及掺铕的氧化钇可用作彩色电视机的荧光粉;氧化钇可制特种玻璃及陶瓷,并用作催化剂;金属钇在合金方面也有广泛用途。

稀土金属钆及其同位素都是最有效的中子吸收剂,虽然因稀少而限制了其应用,但它们常用于制造核反应堆中的控制棒,其作用在于吸收中子从而有效终止核反应堆中的链式反应的进行。钆的化合物还常用于制备彩电显像管和计算机显示器中的磷光体。

在海湾战争中,加入稀土元素镧的夜视仪成为美军坦克压倒性优势的来源。此外“爱国者”导弹的防空导弹能力,也来自于制导系统中大约4公斤的钐钴磁体和钕铁硼磁体。

如果没有稀土,世界将会怎样?我们每天看的电视,其鲜艳的红色就来自于稀土元素铕和钇;外出携带的照相机镜头里就有稀土镧;天天使用的手机、计算机中也有稀土元素……有资料显示,当今世界每5项发明专利中便有1项和稀土有关。

稀土在我们的生活中无处不在,可它的元素分离利用并不轻松,徐光宪为此奉献了一辈子的光阴。1978年,基础科学受到重视,徐光宪又重新开始最初选定的量子化学方向的科学研究,培养研究生,著书立说,不亦乐乎。

徐光宪有一句名言:“我们做科研的有一个信念,就是立足于基础研究,着眼于国家目标,不跟外国人跑,走自己的创新之路。”这句话被写进北京大学发布的讣告中,鼓励着无数科学人继续前行。

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