編者按

1980年6月10日，徐光憲率領(lǐng)中國科學(xué)院稀土考察團訪問法國。他們與當(dāng)?shù)刂南⊥恋V分離工廠開展交流，盡管法國研究人員對考察團的到來表示熱烈歡迎，但拒絕了他們參觀羅納·普朗克廠的要求，并將所有萃取劑和工藝參數(shù)標(biāo)記為“絕密”。這一事件雖小，卻凸顯了中國在稀土分離領(lǐng)域所面臨的困境。

經(jīng)過多年努力，在稀土化學(xué)奠基人、中國科學(xué)院院士徐光憲等科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下，我國實現(xiàn)了從稀土資源大國向稀土生產(chǎn)大國、稀土出口大國的華麗轉(zhuǎn)身。

我國擁有豐富的稀土資源，新中國成立伊始，卻處于一種資源開發(fā)與利用能力不匹配的被動狀態(tài)。作為隱形戰(zhàn)機、超導(dǎo)、核工業(yè)等高精尖領(lǐng)域不可或缺的原料，稀土珍貴稀少且提煉和加工難度極大，可以說“誰掌握了稀土，誰就全天候掌握了戰(zhàn)場”。

1972年，北京大學(xué)化學(xué)系接到了一項緊急的軍工任務(wù)——分離鐠釹。當(dāng)時已過知天命之年的徐光憲，再次因國家需求調(diào)整自己的科研方向。徐光憲通過實驗室研究和工廠小試等一系列工作，不僅成功實現(xiàn)了稀土元素的分離，獲得了高純稀土元素，還使中國在稀土分離技術(shù)領(lǐng)域躍升至世界領(lǐng)先水平。

徐光憲

來源 | 中國科學(xué)家博物館

開創(chuàng)鐠釹萃取分離法

鐠和釹都屬于稀土元素。稀土元素總共有17種，包括鈧（Sc）、釔（Y）和15種鑭系元素。它們的化學(xué)性質(zhì)非常相似，要將它們一一分離非常困難。當(dāng)時，國際上通常采用離子交換法，這種方法成本高，提煉出的稀土元素純度也較低，無法滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需求。這時，徐光憲提出使用萃取分離法來分離鐠和釹。

萃取是利用物質(zhì)在不同溶劑中具有不同溶解度的特性，進行物質(zhì)分離的一種方法。早在1957年，徐光憲開始參與開創(chuàng)我國原子能事業(yè)時，就已涉足萃取領(lǐng)域。當(dāng)時，核燃料的分離和提純是原子能工業(yè)中與化學(xué)相關(guān)的核心問題之一。從1946年開始學(xué)習(xí)量子化學(xué)算起，已經(jīng)研究了10年量子化學(xué)的徐光憲注意到萃取過程與絡(luò)合作用的聯(lián)系，以及萃取方法用于稀土分離的可能性及優(yōu)點。

那時，國際上萃取化學(xué)仍然是一門新興學(xué)科，關(guān)于萃取體系的分類很不統(tǒng)一，理論中存在許多與實際試驗不相符的假設(shè)，甚至對萃取機理的解釋也相當(dāng)混亂。徐光憲從系統(tǒng)整理資料入手，做了上萬張文獻卡片，經(jīng)過深入思考、分析和歸納，于1962年提出了恰當(dāng)而細(xì)致的萃取體系分類方法，并在此基礎(chǔ)上闡明了若干典型體系的萃取機理，提出了幾個關(guān)于萃取的一般規(guī)律，還參與改進了研究萃取平衡的兩相滴定法。

然而，擺在科研人員面前的難題遠比預(yù)想的更為復(fù)雜。在稀土萃取工藝的實驗階段，他們不得不采用繁復(fù)且耗時的“搖漏斗”方法，以此模擬串級實驗，獲取精確的設(shè)定參數(shù)。整個流程容不得半點差池，任何微小的失誤都可能導(dǎo)致結(jié)果的不盡如人意，迫使一切推倒重來。

除了實驗本身的挑戰(zhàn)，徐光憲還需應(yīng)對“本土化”帶來的難題。國外成熟的稀土生產(chǎn)工藝，其“搖漏斗”技術(shù)能夠盡可能地保持原料的一致性。然而，中國的稀土資源分布廣泛，內(nèi)蒙古、四川、山東等地的原料組成千差萬別，對稀土元素分離的要求自然也不能一概而論。

“我們必須根據(jù)不同的原料找到與之匹配的工藝，更重要的是，要揭示這種工藝背后的理論依據(jù)。”徐光憲始終堅信，理論研究才是通往創(chuàng)新之路的基石。

20世紀(jì)80年代徐光憲與學(xué)生們在一起討論工作（前排右一為徐光憲）

來源 | 中國科學(xué)家博物館

白天，徐光憲帶領(lǐng)團隊在實驗室里辛勤地“搖漏斗”；夜晚，則在燈光下潛心鉆研串級理論。有人戲稱，他們白天是體力勞動者，晚上則化身為腦力勞動者。一周工作80個小時，高強度的工作節(jié)奏下，徐光憲成功地將萃取分離法研發(fā)并應(yīng)用成功。

在當(dāng)時，一般萃取體系的鐠釹分離系數(shù)僅能達到1.4至1.5。徐光憲從改進稀土萃取分離工藝入手，通過精心選擇萃取劑和絡(luò)合劑，構(gòu)建了季銨鹽——DTPA“推拉”體系。最終，他不僅出色地完成了這項緊急的軍工任務(wù)，更將鐠釹分離系數(shù)提升至驚人的4，打破了當(dāng)時的世界紀(jì)錄。他的這些研究成果迅速獲得了國際認(rèn)可，為國家的科技進步作出了巨大貢獻。

營造良好的稀土產(chǎn)業(yè)生態(tài)

1975年8月，第一次全國稀土?xí)h在北京召開。徐光憲在會上提出了他的串級萃取理論，引起轟動。一排排看似普通的萃取箱像流水線一樣連接起來，只需在一端放入原料，在“流水線”的另一端的不同出口就會源源不斷地輸出各種高純度的稀土元素。

全國稀土化學(xué)與萃取學(xué)術(shù)討論會

來源 | 中國科學(xué)家博物館

但徐光憲并不滿足于此。萃取液的配置和各種參數(shù)的確定對于生產(chǎn)者來說仍然是一件非常繁瑣的事情。徐光憲決定將這樣一項復(fù)雜的生產(chǎn)工藝“傻瓜化”。經(jīng)過艱苦的探索，他與同事研究成功了“稀土萃取分離工藝的一步放大”技術(shù)，不經(jīng)過小試、中試，直接放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，傳統(tǒng)的串級萃取小型試驗被計算機模擬所取代，稀土生產(chǎn)實現(xiàn)自動化。

這種一勞永逸的方法，被徐光憲稱為“一步放大”。1978年，他率先辦起了“全國串級萃取講習(xí)班”，將他的科研成果在國營工廠里無償推廣。這些原則和方法用于實際生產(chǎn)，大大提高了中國稀土工業(yè)的競爭力。

由于在技術(shù)和工藝上的重大突破，從20世紀(jì)90年代初開始，我國單一高純稀土大量出口，使國際單一稀土價格大幅下降，原先長期壟斷國際稀土市場的一些國外生產(chǎn)商不得不減產(chǎn)、轉(zhuǎn)產(chǎn)甚至停產(chǎn)，被國外稱為“CHINA IMPACT”。中國終于實現(xiàn)了從稀土資源大國向稀土生產(chǎn)大國、稀土出口大國的轉(zhuǎn)變。

徐光憲不僅積極推廣先進的萃取方法，還致力于“建立稀土研究所”和“稀土專利保護”的事業(yè)。1979年，中國科學(xué)院醞釀成立一個專門的稀土研究所。1980年5月31日，由徐光憲擔(dān)任團長，中國科學(xué)院組織的稀土考察團踏上了為期20天的美國和法國訪問之旅。此行的目的是了解國際稀土研究的最新動態(tài)，為即將成立的稀土研究所確定科研方向。

在前往美法的旅途中，考察團與各研究所達成了友好的交流，并與“稀土之父”斯佩丁教授進行了會面。在法國訪問羅納·普朗克廠時，盡管研究人員熱情接待了考察團，出于技術(shù)保護的考慮，婉拒了參觀的請求。這次訪問讓考察團對國際稀土領(lǐng)域有了更深入的了解。一方面，稀土考察團更加明確了中國在國際稀土領(lǐng)域的發(fā)展方向；另一方面，也深刻認(rèn)識到知識產(chǎn)權(quán)保護的重要性。

此后，徐光憲總結(jié)出，良好的科研環(huán)境離不開專利的保障，只有通過專利保護和盈利，才能形成良性循環(huán)，更好地推動科研發(fā)展。因此，他積極倡導(dǎo)稀土資源利用的專利化，并為此四處奔走，不懈推動。

徐光憲重游哥倫比亞大學(xué)

來源 | 中國科學(xué)家博物館

徐光憲畢生奉獻于稀土事業(yè)，他建立并發(fā)展了稀土串級萃取理論與工藝優(yōu)化設(shè)計，為中國稀土工業(yè)獲取高純度的單一稀土作出貢獻，實現(xiàn)了中國稀土產(chǎn)量的飛躍；提出了萃取機理分類法，絡(luò)合物平衡的吸附理論以及原子價的新定義，探討了稀土化合物的化學(xué)鍵與電子結(jié)構(gòu)，發(fā)展了鑭系理論。此外，他一直倡導(dǎo)并推動保護中國的稀土產(chǎn)業(yè)，讓稀土不要賣出“白菜價格”。

在徐光憲等科學(xué)家的努力下，中國的稀土產(chǎn)業(yè)擺脫了“守著金飯碗討飯”的尷尬境地，實現(xiàn)了從稀土資源大國向稀土生產(chǎn)大國、稀土出口大國的華麗轉(zhuǎn)身，也向全世界展示了中國發(fā)展稀土產(chǎn)業(yè)的堅定決心和雄厚科研實力。

審核專家：華東師范大學(xué)哲學(xué)系科學(xué)傳播研究中心主任朱晶

參考文獻：

[1]一清如水：徐光憲傳[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,2013.

[2]先生之風(fēng) 山高水長——記北京大學(xué)徐光憲院士[OL].北京大學(xué)新聞網(wǎng),2015-04-30.

中國科學(xué)家博物館出品