以下是墨子沙龍「以『稀』為貴：稀土資源的儲備和開發」活動（2020年10月17日）沈保根院士的報告視頻和內容。
今天我要介紹的是稀土與磁性材料，主要是稀土。稀土的相關話題非常寬廣，我們將以磁性材料作為重點，來介紹稀土為何重要，以及它的意義。
稀土是重要的戰略性資源
稀土被稱作「戰略性資源」，而磁與稀土是不可分割的，40%的稀土用途與磁相關。
說到磁，我們知道任何物質都具有磁性，每一處空間都存在磁場。從大腦的磁場到宇宙空間中中子星的磁場，他們的強度相差了10^30倍。磁學所涉及的領域非常寬廣，我是從事凝聚態物理研究的，凝聚態所涉及的幾乎所有領域都與磁學相關。從應用的角度來說，磁性材料與磁技術的廣泛應用，關係到我們的工業、農業、國防。
磁學是一個非常古老的學科，迄今為止產生過的216位諾貝爾物理學獎獲得者（截至到2020年），其中32位與磁學有關。要談論稀土，我想重點談論稀土元素與鐵族元素材料的物理性質，以此來探討稀土的重要性。
大家知道，稀土是不可再生的戰略資源，有人說它們是現代工業的「維生素」。到了21世紀，稀土有關的產業發展得非常迅速，稀土的用途也非常廣泛。稀土元素跟磁、光、電等物理化學性質都息息相關。而且它的一些獨特性質被廣泛應用於航天航空、新能源、軌道交通等諸多領域和行業。特別重要的是，對於中美、中歐關係，稀土資源會成為一個焦點，主要是因為它跟飛彈、雷達、潛艇、衛星這些國防應用有關鍵聯繫。
現在我們面臨的問題是：雖然我們的稀土資源非常豐富，但是真正要做稀土應用的時候，反而把稀土出口出去了，到頭來一些技術還要被歐美卡脖子。從總書記一直到我們的基層研究人員，一直很重視這個問題，並且想要改變現狀。2019年，總書記視察贛州的時候，說稀土是重要的戰略資源，不可再生，要不斷提高研發水平，要延伸產業鏈，提高附加值。
由於稀土關聯甚廣，美國、日本、歐盟等都把稀土作為一個資源爭奪的核心，尤其是美國，不斷出臺一些戰略報告。一些重要的研究報告、清單，都是跟稀土有關的。他們希望不用自己的，用別人的，並卡別人的脖子。
我國的稀土情況如何？
大家都知道我們國家稀土的特點、優勢是資源豐富，在全球是舉足輕重的。早的時候，大家總說稀土是我們國家一個王牌，說我們有稀土，能不能在中美對抗的過程中，以稀土來反制。我覺得這是不可能的，因為我們只是稀土資源佔的總量比較多。
早期的時候，我們認為我們的稀土儲量非常大，但實際上在2012年中國出臺了一個稀土狀況白皮書，其中提到，2009年我國的稀土儲量佔了世界的23%。美國也有不少稀土資源。我們經過很長時間的努力，稀土的產量、出口、消費，都是世界第一。這對我們有利嗎？其實是一點都不利。我們以23%的儲量提供了全世界90%的市場供應，相當於我們把稀土資源賣出去了。
這個狀況我特別覺得需要改變。在1950、1960年代，尤其是1960年代以後，在開採、冶煉、分離稀土這些方面長期性的積累，使得我們國家在這些方面有絕對的優勢，具有話語權。但我們主要還是賣原材料給別人。
大家看美國地質調查局的全球稀土分布報告， 70多個國家都有稀土，報告給出的稀土礦床非常非常多，全球將近800個稀土礦床。我們中國在其中佔的數量相對比較大。現在大家還認為稀土太稀嗎？其實稀土一點都不稀，稀土的儲量是非常豐富的。
白雲鄂博礦區丁道衡塑像
我國的稀土發現者應該是丁道衡先生，他在1927年的時候組織了一個中國和歐洲的西北考察團，發現了鐵礦。後來在鐵礦中發現了叫獨居石的礦石。自那個時候起，我們國家的稀土漸漸被發現。從發現到後來想辦法應用，形成了現在著名的白雲鄂博稀土礦，位於包頭。幾乎可以說，現在全世界稀土的絕大部分就是由包頭的白雲鄂博礦供應的。
關於稀土礦床資源和原材料，請大家看上面這個圖。早期的時候，大家不太重視，一直到1960年代，美國人對這個事情特別重視。我們國家白雲鄂博礦發現利用起來以後，當我們的提純、冶煉水平提高了以後，白雲鄂博礦佔了世界上的非常大的份額和話語權。但是從那時起的相當長的一段時間內，直到2000年左右，基本上都是以資源為主：在那裡利用和開採。
我國稀土分布的特點是「南重北輕」：北方是輕稀土，南方是重稀土。所謂輕稀土，就是鑭、鈰、鐠、釹這一類。白雲鄂博、山東的微山、四川的冕寧，基本上都是以輕稀土為主。南方五省，也有人稱六省或更多，以重稀土為主。釓、鋱、鏑、釤，以及元素周期表中後面的鈥、鉺、銩，都是重稀土。重稀土是離子型稀土，實際上不是一個礦，現在的開採方式跟北方的輕稀土開採不一樣，造成了許多環境上的問題。
我國的稀土資源雖然主要集中在剛才說的北方的包頭、山東、四川，還有南方的幾個地方，但在全國的22個省區都有分布。
白雲鄂博礦的稀土儲量佔到全國稀土的83%左右，是第一大稀土礦。但許多礦都是共伴共生的，這裡鐵的含量很高，佔的比例也特別大，稀土一般情況之下只佔到6%到7%左右，四川的涼山大概3%不到，山東的微山8%不到。還有南方離子型的中重稀土，大概佔比也就是3%。但不要看南方的重稀土的含量這麼低，在全世界看卻是非常非常重要的。因為中重稀土，尤其是重稀土，在應用方面，尤其在一些關鍵的戰略性應用方面，起到了關鍵的作用。雖然量比較少，但是它的重要性，和其他的元素比起來更加重要。
一個稀土礦中，稀土元素分布是不均勻的，而且跟鐵、鈮等伴生在一起。稀土有17個元素，許許多多都是混在一起。像包頭礦中，鑭和鈰這兩個元素佔了差不多3/4，其他的那麼多元素，包括重稀土只佔1/4。但是南方又反過來，重稀土又特別多。
有時候，有多達70種元素混在一起。之前我們的開採利用率很低，主要是從中選鐵了。
我們知道在包頭有一個包鋼，它就是從稀土礦裡煉鐵的。早期，煉鐵的時候，因為當時我們認識不高，就把好多稀土都扔在尾礦裡了。現在我們重視起來了。
如果說綜合性利用的話，70多種元素都是非常重要的。除了稀土以外，鈮、鈦、鋯，當然還有放射性的釷，如果都加以利用的話，在許許多多的領域都能夠起到作用。甚至於最後大家覺得再也沒有利用價值的廢渣，也可以把它做成微晶玻璃，在電力、化工、建築、冶金等方面得到應用。所以稀土礦資源是一個寶貝，它的所有的元素都是可以得到很好的應用的，在我們國家的經濟建設中發揮重要作用，為國家的國防建設發揮關鍵性的核心作用。
我國稀土產業可持續發展面臨的挑戰
稀土這麼重要，但是我們面臨著很大的挑戰。
一方面，總採收率還是比較低、現在的技術生態破壞還比較嚴重，汙染比較大。如果你去北方參觀一下，從一個礦裡把稀土挖出來，這樣還比較好。南方開採稀土就是在山頂上挖一個坑，把酸倒下去後，就在山底下接稀土。這樣對生態環境的破壞非常嚴重，因此我們的資源出口，在早期都是付出了重大的生態代價的。
另一方面，資源的綜合利用水平不高。如同我剛才所說，這麼多的元素，許多都沒利用起來。稀土尚且沒有很好地利用，其他的元素有的現在還扔在尾礦中。當然，我們最大的問題還是高端的產品不足，產品的附加值低。稀土賣給日本、賣給美國、賣給歐洲，他們開發了後端的技術，有的用的比我們還要好，這是我們面臨的嚴重問題。
我們國家在稀土上，資源我們是領先的，環境問題是不少的，應用總體上是比較落後的。
從上圖可以看到，稀土幾乎涉及任何一個領域和行業，20大行業門類中間的9個門類， 90多個大類中間的60多個大類，都是跟稀土應用相關的（關於這一點，不同的人看法可能不太一樣）。所以我們把稀土叫做戰略性資源，一點都不過分。
在稀土應用方面，我們國家有很多開發區，但是它們大多還是進行前端開發（資源的開採利用），聚焦於後端應用的還是不夠。
現在我們要解決什麼？
從原材料開始，稀土原材料採礦、選礦、冶煉、分離，這是最基本的需要。然後我們拿原材料做成新材料，磁性、光學、催化等等，這就上升一點，價值高一點。再把這個材料做到元器件，然後再到終端的應用。我們最終的目標是要走向終端應用。為了做好這樣一件事，中國科學院在江西贛州要建稀土研究院。
稀土從資源角度來說這麼重要，但問題也不少，那麼怎麼把資源利用好，把材料做得更好，應用做得更好，它到底涉及到哪些重要的領域？從我自己的專業領域出發，我來舉幾個例子，主要是講稀土磁性，特別是永磁性。
稀土磁性（永磁）材料與應用
稀土元素有一些獨特的特點，這與它的電子組態、能級、自旋軌道耦合、磁矩大小，還有稀土元素和過渡族元素的組合等等有關，有的性質產生的效果是獨一無二的。
根據它的一些特點，可以產生許多特殊材料，比方說可以做成非晶的材料、做成結構穩定的材料、可以伸縮的材料，可以製冷的材料，還有信息產業中間用的吸波材料等等。我們稱之為「稀土磁性材料」。
從功能性的角度來說，這樣的材料可以做儲能還有換能，比方說機械能和電能互相轉換，磁能跟熱能轉換，還有信息存儲傳輸。尤其是信息存儲方面，也就是磁性的存儲，到目前為止的用量非常大，全世界70%的儲存信息是用磁存儲的。我們計算機中的硬碟是很典型的例子。還可以利用它做高頻性能的材料，後面還會講到。
從應用方面來看，它跟能源，尤其是清潔能源和高效動力（我們叫磁動力）、衛星通信、無人機械，還有城鄉醫療健康、固態製冷等等直接相關。
所有的磁性材料中，用量最大的是什麼？就是永磁材料。我們兒童拿的一塊吸鐵石，就是一種永磁材料。當然自然界中間也有永磁材料，比如四氧化三鐵。但是如果用稀土來做，永磁體性能就可以非常好。這樣的材料不是用來吸著玩的，它的用途非常廣泛。到現在為止，在稀土的應用中，新材料領域佔到60%以上，永磁又在新材料中佔應用的60%以上。所以說到稀土的應用，我們說40%的開採出來的稀土都用於做永磁材料。
我們是一個稀土永磁大國，原來我們的水平很低，但到現在為止，我們已經佔了全世界總產量的85%，有的人認為還要更多。這麼大的產量裡，原來我們做的主要偏中低端，現在我們已經轉向高檔汽車、電子轉向、核磁共振成像等等的高端領域。甚至我們做的磁體，現在供應了美國一些非常重要的領域，包括他們一些核心領域。現在我們認為我們國家已經是稀土永磁的一個生產、加工出口大國，但是在這個領域我們還算不上一個強國。
永磁材料領域，我們有兩個發展方向，一是繼續提高性能，二是對各種元素高效均衡利用，特別是把低成本的鑭和鈰用起來，使稀土資源的應用效率大幅度提高，最後實現可持續的發展。
稀土磁性材料極其重要，「沒有磁性材料就沒有現代化國防」，因為雷達、制導、電子戰、艦船都要用到磁性材料。從陸軍、海軍、空軍、炮兵，現在電子對抗都用信息戰，都需要這樣的材料。這下圖就可以看到，美國的坦克、戰艦等都用到了這樣的材料。
永磁電機等應用
大家不要小看永磁電機。現在廣泛應用的大多數是線包電機，比永磁電機的效率差很多。如果永磁電機的效率能夠提高三個百分點，如果我們新增加的電機都是永磁電機的話，節約的能源將等同於一個三峽發電的總量，是非常可觀的。
最近我們還新開發出來一種永磁電機結構，電機中間沒有了線包，完完全全用永磁材料，做成轉子或者定子電機。這樣一來，效率提高了，並且重量降低、體積縮小。效率最高可以做到百分之九十八點幾。這非常非常重要，現在我們國家可以實現這樣的技術。
那麼這種技術有什麼應用？比如我們大家都知道的風力發電，我們看到的一個風車的葉子最長的甚至可以達到幾十米到100米。如果用永磁電機把體積縮小，帶來的安裝成本下降、維修方便都會非常重要。特別是應用到海上風力發電，如果體積減少，尤其是中間永磁電機的部分，那就會帶來很大的方便。這就是目前的新技術。
汽車，尤其是新能源汽車要跑得快、跑得遠，需要永磁電機作為驅動電機。可能這一項技術實現以後，汽車就跑得更好。現在新能源汽車的續航往往是400公裡左右，能不能到500公裡、600公裡？我想這完全有可能，那就要把永磁體技術應用上。
還有我們的C919大運輸機，這裡也有永磁體的應用，比如說起落架的回收，還有一些運動部件。
軌道交通，它是驅動電機使用大戶。如果以後我們把線包都取消掉，我們就完全可以用這樣的一些新的技術來推進350公裡/小時的高鐵。
我知道上海有電磁的磁懸浮列車，永磁其實也可以用來做磁懸浮。在江西贛州那裡有一個學校，他們做了一個試驗，就是懸掛式的磁懸浮，當然也可以做軌道的，完完全全用永磁體實現磁懸浮。像這樣的開發都用到我剛才說的永磁材料。
永磁在大科學裝置中也有廣泛的應用。東莞的中國散裂中子源，它裡面的好多磁鐵都是電磁體。但是以後的建設，比如說北京再要建散裂中子源的話，他們現在正在考慮用一些永磁。為什麼呢？因為這個裝置建起來了以後的耗電量非常大，一個裝置的運行，一年的電費達到幾千萬，一個億，甚至更多。如果說一部分使用永磁材料的話，運行的大科學裝置的能源成本就會大幅度的縮減。
另外，永磁材料還可以用在醫療方面，以前可能不為人知。外科手術用了永磁這樣的技術以後，可以大幅度地節約時間。比如原來一個外科手術需要30分鐘，用了永磁技術以後10分鐘就可以完成了，而且癒合要比原來好得多。這樣的技術都是我們國家開創的。這一幅圖是西安交通大學呂毅教授給我的，他們現在做的永磁在醫療方面的應用在全世界非常領先。
稀土高頻磁性材料與應用
除了稀土永磁，還有一類材料叫稀土高頻磁性材料。這樣的材料，它可以應用的「頻段」非常高。剛才我前面介紹的永磁材料，用的稀土元素是以鐠、釹、鋱、鏑這一類為主，剛好高頻磁性材料可以用釔、鑭、鈰這些成分，實現稀土資源的綜合、平衡、高效、節約利用。從稀土元素的運用角度來說，高頻磁性材料在平衡利用，高效利用，節約利用方面有非常大的優點。
高性能的高頻材料主要應用在5G通訊、物聯網領域。尤其當工作頻率要求越來越高，現在甚至希望達到6GHz左右時，這些電子元器件的性能要求也相應提高。現在我們的手機做得很好，但是元器件多數還是依賴進口。那麼能不能用我們的稀土材料使得這些元器件應用的頻段更高，這是一個努力的方向。高性能的高頻材料的應用範圍十分廣泛，比如說天線、電感、電磁兼容、吸波材料、隱身等等。它們的市場佔有率也非常高。
現在我們5G手機，它的應用頻率一般在3GHz左右。之後我們一定要把體積越做越小，並且帶寬還能增加。現在為什麼要開發稀土高頻磁性材料呢？原來我們用鐵氧體做磁性材料，鐵氧體材料工作頻率超不過3GHz，相對稀土高頻磁性材料而言要低很多。稀土面向異性材料的優點是飽和磁化強度高，磁化強度大，因此工作頻率理論上可以非常高。理論上能夠達到20GHz，但實際上目前我們所做的還遠遠不夠。但是從理論的計算的角度它是能夠實現的，因此這是一個我們努力的目標。
所以，稀土的高頻磁性材料同永磁材料一樣，有著非常重要的應用，對信息通訊，尤其是在國防安全、航空航天兩方面，有非常重要的戰略意義。另外，這些材料的開發，可以平衡有效利用我們的稀土資源。
磁製冷材料與磁製冷技術
「製冷」這個詞家喻戶曉，製冷相關的材料和技術使用得非常非常多。有人說，製冷佔我們國家GDP的5%左右。5%是非常大的數，這足以說明它涉及的面非常廣。製冷不僅與日常應用密切相關，還跟科學研究、工業生產，甚至交通等領域關聯緊密。
舉個例子，天然氣液化。大家知道「西氣東輸」項目，如果只有一個大氣田，鋪根管道是合理的解決方案，但是我們有大量的氣田，它們是星羅棋布的，之間互不連通，鋪設管道成本太高。還有海上的天然氣資源，如果開發海上天然氣，怎麼運輸天然氣就是一個需要解決的問題。運輸天然氣需要液化天然氣，這就涉及到了製冷，也就是把天然氣液化以後用船運輸回來，再還原成氣體。我們原來沒有這樣的技術的時候，天然氣的運輸是個難題。
在航空航天（我們現在要建國際空間站）、軍事、低溫系統領域，製冷技術的應用就更多了。還有熱核聚變實驗堆，它也需要低溫製冷。在醫療領域，製冷技術的應用也至關重要，比如人體器官的冷凍，甚至於在低溫下生命體的有效保存。
在科學研究領域，我們大量的儀器都需要製冷技術，我們每一臺主要的測量儀器中，基本上都涉及低溫製冷。
為什麼需要磁製冷？
製冷的用途這麼廣泛，現在用得好好的，為什麼還要去開發磁製冷？傳統的製冷有這麼一個問題：用到的工質會產生溫室效應。之前全世界都在使用的製冷劑叫氟利昂，氟利昂破壞臭氧層。我們國家要參與的幾個協議，從理論上來說，宣布到2025年，全球要禁止使用氟利昂。往後我們要逐步減少使用氟利昂的替代工質，越來越少地使用強溫室效應的材料。而且我們不能把製冷停下來，這是停不了的。比如說乘飛機，沒有製冷怎麼行？汽車沒製冷，家裡沒有製冷都不行，那就得使用替代的辦法。
而磁製冷綠色環保、高效節能、穩定可靠。我們現在製冷系統最大挑戰就是要解決臭氧層破壞、溫室效應這樣的一些問題。還有，製冷系統得整天開著，空調在夏天也一直工作，因此要克服能耗高、噪聲大等弊端。如果用磁製冷，這些問題就會得到非常好的解決。
但是要做磁致冷，就需要用到一些特殊材料。磁熱效應發現得很早，也做了很多的研究。在低溫環境下的磁製冷也做得非常成功，那麼能不能做室溫的磁致冷？我們的冰箱、空調能不能用這個技術？
1970年代，美國人用稀土中的釓做材料來實現室溫磁製冷。他們做了一個樣機，但這個樣機不能實際使用。直到2000年左右，一級相變材料的發現推動了室溫磁製冷的研究和發展。
一般材料都是二級相變的，我們經過多年的努力，合成出一級相變的稀土磁性材料LaFeSi。這是目前最有優勢的室溫磁製冷材料，這個發現後來催生了國內外許許多多的課題組這方面的研究。
以上是室溫製冷，還有低溫製冷，磁製冷在其中也有關鍵應用。在科學研究領域、軍事領域、航空航天，以及民用領域，都已有應用或有應用前景。
在低溫製冷材料中，我們發現了一個新材料，叫銩銅鋁。它的相變溫度特別低，是到現在為止，磁製冷材料中我們能夠找到的最低的一個相變溫度。如果把這樣的材料用到制冷機中，我們現在複合的一種制冷機，做到了頻率0.6的時候，最低溫度到3.9K。這已經是往前走了一大步了。
中科院理化所團隊後面還要把它一級一級接起來，混合工質、脈衝管、磁製冷、絕熱去磁，最終的目標是做到50mK。50mK已經是很低了。
我們開展這項工作主要是因為現在有個目標，我們國家要在阿里地區建一個引力波探測設備。阿里一號是建在地面上的，正在建設中。如果溫度降得不夠低的話，解析度就會受影響，如果我們能夠做到50mK，就能把解析度提高一個數量級。我們還可以想辦法把溫度降的更低一點，可能能夠做到10mK，看應用平臺的要求。
還有空間軟X射線的探測，我們國家擬建的HUBS衛星，也需要50mK的低溫。除此之外，量子計算領域中也需要這樣的一些製冷裝置。
製冷主要有兩種手段，一個是稀釋製冷，另一個是磁製冷，即一級一級的絕熱去磁達到製冷目的。現在，我們和武漢理工大學提出熱電磁多功能這樣的一個想法。熱電材料原來都是迴避磁的，後來發現熱電材料如果跟磁的元素結合起來，就能產生一個特殊的性質，還可以更好地提高效率。那麼有沒有可能把熱學、電學、磁學這三方面聯合起來？磁熱效應，就是剛才我講的，利用這個效能去做室溫的製冷設備。磁電效應以前用得很多，熱電獨立用的也很多。這樣幾個現象，我們怎麼能夠把它們聯繫起來，即熱電磁，這是一個新的提法，我覺得應該是需要去努力的方向。
還有一個非常非常重要的概念，叫「稀土固態製冷」，也是研究上需要我們發展的方向。稀土固態製冷需要實現工程化、模塊化，一旦實現，有望影響我們生活的方方面面。
沈保根：中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中國科學院物理研究所研究員。現任中國科學院稀土研究院首席科學家、中國科學技術大學物理學院院長，中國科學院大學教授，中國高技術產業化研究會副理事長，中國散裂中子源科技委主任等職。長期從事磁學與磁性材料研究工作，國家傑出青年科學基金獲得者，國家973項目首席科學家。獲香港求是科技基金會「傑出青年學者獎」、中國物理學會「葉企孫物理獎」、北京市科技進步一等獎、國家自然科學二等獎、何梁何利科學與技術進步獎、陳嘉庚技術科學獎等。
演講者 | 沈保根
文字整理 | 馬瀟漢、王佳
排版 | John