今天，手機、耳機等設備之所以能做得那麼小巧，都離不開高性能的永磁體，即我們俗稱為“磁鐵”的材料。那麼這些“磁鐵”是怎麼造出來的呢?我們還能找到更強大的“磁鐵”嗎?

“磁鐵”是怎麼造出來的?

“磁鐵”，科學的稱呼叫永磁體，以有别于通電就有磁性的電磁鐵。它是現代許多技術的核心，手機、耳機等小巧設備中的揚聲器，需要永磁體把電流信号轉化為聲音信号，因為有了超強的永磁體，它們現在才可以做得這麼小巧。此外，電動汽車、渦輪、電腦、衛星等等，都需要永磁體把電能和機械能相互轉化。

那麼永磁體是怎麼造出來的呢?

要制造一塊永磁體并不難。中學電磁學就告訴我們，電荷的運動産生磁場，而磁場又可以使電荷運動。正是由于這一點，像鐵芯之類的永磁體才在電動馬達、發電機和變壓器中扮演了核心的角色。在那裡，它們或存儲能量，或把機械能和電能相互轉化。這些設備至今還在我們的生活中發揮巨大作用。

但要解釋像鐵之類的材料是如何獲得和保有磁場的，這就需要一點現代物理學的知識了。這一切都跟固體原子中電子的行為有關。我們知道，電子是有自旋的，而電子本身帶電，電荷的運動産生磁場，所以它就類似一個小磁針。磁針的朝向依賴于電子自旋的朝向。在大多數元素的原子中，因為最外層電子(也就是決定元素化學性質的那些電子)的自旋朝向往往正好兩兩抵消，所以元素的原子不帶磁性。但像鐵和在元素周期表上與它相鄰的元素，如钴和鎳，它們的原子隻有最外層電子自旋朝向相同時才穩定，這就決定了它們總是傾向于自旋朝同一個方向，所以這些元素的每一個原子都好比一根小磁針。

不過盡管如此，哪怕這些元素的一大堆原子聚在一起，“磁針”雜亂無章地排列着，磁性兩兩抵消，整塊材料還是顯不出磁性來。隻有等施加一個外部磁場，才能把這些“磁針”的朝向調到一緻的方向上。等外磁場撤走後，材料依然保有磁場。這樣，你就得到了一塊永磁體。

稀土永磁材料登場

要制造一塊永磁體就這麼簡單，但要制造一塊好的永磁體，卻并不容易。用于制造永磁體的材料很多，我們可以開出很長一張單子。用的最多的是鐵氧體，因為它相對便宜，抗腐蝕能力也無可匹敵。但它有一個緻命的缺陷：磁性不夠強。為了産生一個強磁場，你得需要數量驚人的鐵氧體。所以包含鐵氧體磁鐵的設備一般都龐大、笨重。

這一切對于大型的機械設備當然不成問題，但在這個微電子時代，我們需要更加小巧的東西，這就需要磁性更強的永磁材料。但如何獲得呢?在一塊固體材料中，電子的數量太龐大了，對于理論計算來說太複雜了，所以理論家很難給出指導性的建議。在這種情況下，尋找更好的永磁材料很大程度上依賴于冶金家的瞎摸瞎撞：把有希望的各種元素混合起來，放到外磁場下，看看能發生什麼。

你可别小看這種“土辦法”，它還頻頻湊效呢。用這土辦法，1930年代研制出的鋁钴鎳磁體的磁性，比最好的鐵氧體磁鐵幾乎翻了一倍。但在這一領域，一連串的突破則發生在1970年代以後，因為人們發現了一種制造永磁體的極好材料——稀土金屬。

稀土元素在元素周期表上又稱“镧系元素”，原子序數從57排列到71。重要的稀土元素包括：原子序數為60的铷(Nd)、62的钐(Sm)和66的镝(Dy)。這些元素有一個特點，即它們原子中能夠讓自旋朝同一方向排列的電子非常之多。1970年代，人們拿钴和钐按一定比例混合，制成永磁材料，發現其磁性是鋁钴鎳永磁體的兩倍。

永磁體中最耀眼的明星

不過，永磁材料中一顆無與倫比的耀眼明星是用稀土元素钕加上鐵和硼研制成的钕鐵硼永磁體(Neo永磁體)。1990年代，指尖般大小的一塊這種永磁體，在等距離的條件下，其強度是地球液态鐵核産生的磁場的數千倍。要知道，地球表面與地球産生磁場的液态鐵核的距離平均有2900千米，也就是說，在遠離Neo永磁體2900千米的距離上，Neo永磁體的磁性要比地球磁場強數千倍。

在室溫環境下，Neo磁體是迄今最強的永磁體。

但這隻是在室溫條件下。早期的Neo永磁體有一個惱人的缺陷：對溫度很敏感，溫度升高，磁性就顯著下降，高于100攝氏度就完全去磁了。但現在人們已經找到一個改進措施——在材料中加進少量的另外一種稀土金屬镝，這種金屬對溫度變化就不那麼敏感了。

與此同時，一場由永磁體帶動的技術革命拉開了序幕。任何地方隻要想用最少的材料産生最強的磁場，那麼Neo永磁體就成了首選：小汽車上的引擎，CD和DVD讀取頭上的主軸電動馬達，在耳機和揚聲器裡把電信号轉化成聲音的振動膜，在醫療上磁共振技術中需要的超強磁場……到2010年為止，在市場上就成交量而言，雖然更便宜的鐵氧體仍占優勢，但如果按成交金額來算，Neo永磁體的成交金額是鐵氧體的十幾倍甚至上百倍。

但緊跟着麻煩也來了。當Neo永磁體被研制出來之後，人們對稀土金屬的需求飙升。稀土金屬在地球上其實并不稀有——在地殼中含量為百萬分之幾——它們之所以為“稀”，是因為稀土礦很難被發現。在過去的10年裡，世界上幾乎所有稀土供應都來自中國。但正當全球需求飙升時，為了優先滿足本國的需求，2012年我國開始對稀土出口采取管制政策。這讓國外的電子和微電子工業陷入一片恐慌。

尋找新的永磁材料

每台電腦上隻需50克Neo永磁體。這看起來似乎并不多，但考慮到全世界電腦的數量，加起來幾乎是一個天文數字。如今随着綠色能源技術的興起，電腦的消耗又已經小巫見大巫了。風力發電站的渦輪馬達，以及電動汽車和電動自行車，都需要輕便又強大的永磁體，而目前來說，隻有Neo磁體才符合要求。每一輛電動汽車，需要消耗2千克Neo永磁體。而功率在兆瓦級的風力渦輪，則需要消耗2/3噸的Neo永磁體。預計從2010年到2015年，單風力渦輪對Neo磁體的需求，就要增加7倍之多。所以研制新的更強的永磁材料已經迫在眉睫，最好是降低稀土金屬的用量，最理想的情況是不再使用稀土金屬。

美國已經開始投入巨額資金尋找新的永磁材料。目前科學家正在設法提高鐵鎳合金永磁體的性能。通常，當把鐵鎳這兩種磁性金屬熔合在一起的時候，它們會形成無序結構，我們很難讓這種結構裡的電子朝同一方向排列。但有一個例外，那就是在一種叫正方鎳紋石的礦石中，鐵、鎳原子一層層有規則地排布，一旦外加一個磁場，電子自旋就偏愛朝向同一個方向。

但這種礦物在自然條件下是非常難以形成的，尤其是在地球上。事實上，目前世界上唯一的一塊正方鎳紋石樣品來自隕石，形成它至少花了數十億年時間。十億年對我們來說當然是太久遠了。科學家的目标是在實驗室合成它，完成大自然需要花費數十億年才能完成的工作。

另一種正在進行的嘗試看似完全“南轅北轍”，那就是用碳元素做永磁材料。衆所周知，石墨和金剛石是沒有磁性的，而且在純鐵中摻入碳，也會讓它喪失磁性。但要是把由碳和其他一些元素組成的化合物做成納米顆粒，那就是另一回事了。科學家發現，這種材料竟然表現出了很強的磁性。出于商業上的保密，這種材料是什麼，怎麼制造，目前科學家還不便透露。但他們說，這種永磁材料終有一天不論在性能還是在價格上都将打敗Neo永磁體。