稀有元素替代是个棘手的问题

近年来，科技的快速发展催生了从更小、更强大的电脑、更清晰的显示屏到更智能的手机和更高效的电动机等各种产品。这些进步的一个关键因素是含有外来元素的新材料，如铌而且钽、稀土金属等钇而且镝．

随着消费者对更好的产品的需求，这些关键元素的可持续性问题就出现了:开始开发替代材料或替代技术的必要性有多迫切?

一项全面调查了62种金属的主要用途，以及它们存在的替代品的性能，使这个问题成为焦点。审计工作，由托马斯Graedel美国耶鲁大学的一项研究得出了一个鲜明的结论。研究人员说:“对于十几种不同的金属，它们的主要用途的潜在替代品要么不足，要么似乎根本不存在。”“此外，这62种金属中没有一种是所有主要用途的典型替代品。”

但未来出现关键金属短缺的可能性有多大?格雷德尔说:“我认为我们不确定这个问题有多严重。”他说，这在一定程度上是因为我们所掌握的信息没有我们想要的那么多，但确实有许多迹象表明，情况正变得比过去更成问题。

还有别的选择吗?

但是简单地用一种材料替换另一种材料似乎很棘手，格雷德尔说。“我们在调查中发现的最重要的一点是，如果我们没有可用的东西，我们可以用其他东西来替代，这一历史观点在现代科技的条件下是非常困难的。”格雷德尔说，更好的方法是寻求开发新的技术方法，既能产生预期的结果，又能避免对稀缺材料的需求。

安德鲁·布拉德沃英国地质勘探局(British Geological Survey)的金属资源管理专家戴维?“我们使用这些金属是因为它们是现有的最好的材料——简单的替换几乎肯定会导致性能下降。”但功能替代是不同的，一种技术替代另一种技术，例如从使用稀土磁铁的电动机转移到不使用稀土磁铁的电动机。“在寻找触摸屏中氧化铟锡的替代品时就是这样，使用基于碳纳米管或石墨烯的替代品。”

布拉德沃斯不认为“科技金属”的物理稀缺性是问题的核心。“地壳很大，我们才刚刚触及表面。但大自然对它们的分配并不方便，而且它们的分布并不均匀。举例来说，大量稀土金属来自中国，这使中国在市场上占据了主导地位。

“我们需要更多地了解这些物质是如何在地壳中形成和聚集的，我们需要找到提取和处理它们的方法，并设计出更环保、更节能的产品，”布拉德沃斯补充道。“例如，我们经常把这些材料放在热力学不相容的组中，这使得它们很难或不可能回收。”

投资替代品

开发不依赖稀有金属的替代技术的努力正在进行，世界各国政府正在调动资源解决这个问题。美国能源部赞助了14个项目共计2700万美元(1600万英镑)，其中许多公司正在研究不需要稀土金属的新型磁铁。伊恩•贝克例如，他在美国达特茅斯学院的团队正在研究一种新型磁铁锰而且铝．他说:“几年前，我们制造了锰和铝的纳米晶体粉末，并证明这种材料具有磁性。”“这个项目是把这些粉末变成大块材料，在这方面我们是相对成功的。虽然他的团队制造的材料在磁性上无法与稀土同类材料竞争，但在生产成本分析上，它们可以与铝镍钴磁铁相比，铝镍钴磁铁广泛应用于电动机、传感器和麦克风等各种应用领域。

与此同时，欧盟(EU)启动了一项计划，旨在制定一项战略，以减少对关键原材料的需求，这进一步证明了欧盟对稀有金属问题采取了战略方针。的CRM_InnoNet(关键原材料创新网络)旨在制定一个“路线图”，以确定14种“关键原材料”的替代方法。“我们将欧洲各地的利益相关者聚集在一起，研究如何减少我们对这些关键材料的进口依赖，”该项目的协调员克莱尔·克莱森(Claire Claessen)说。

而在英国，工程和物理科学研究委员会(EPSRC)已经拨款1000万英镑用于“材料替代安全、保障和可持续性”的研究项目。EPSRC高级投资组合经理Richard Bailey说，该项目将重点关注替代技术的制造方面，目的是确保适当的供应和制造过程将有助于创新材料或技术走向市场。在该方案下支持的项目将于今年晚些时候宣布。