В настоящее время редкие металлы от лития и ванадия до титана и вольфрама, а также редкоземельные элементы (всего их 17), получили ключевое значение практически для всей современной промышленности. Они высоко ценятся из-за использования в производстве бытовой техники и технологиях, связанных с возобновляемыми источниками энергии. Например, без лития и кобальта вообще невозможен полноценный переход к «зеленой энергетике».
Очевидно, что с распространением высокотехнологичной продукции растет и спрос на редкоземельные металлы. Проблема заключается в том, что их добыча сложна, дорогостояща и сопряжена с высокими экологическими издержками. При этом они, согласно своему названию, встречаются сравнительно редко, потому что сильно разбросаны в земной коре по сравнению с некоторыми другими элементами и композитами.
Кроме того, значительную часть существующих месторождений редкоземельных элементов (РЗЭ) контролируют страны, которые не прочь использовать свое ресурсное преимущество и диктовать условия на мировом рынке сырья.
Наибольшие запасы РЗЭ сосредоточены в Китае – 44 млн т (свыше 70% мировых запасов), еще 12 млн т – в России, 6,9 млн т – в Индии, а 80% мирового кобальта поставляет всего одна страна — Демократическая Республика Конго.
Все эти обстоятельства приводят к поиску всевозможных альтернатив металлам и, как следствие, к революционным прорывам в науке.
Пластилин, проводящий ток
Металлы с хорошей электропроводностью – алюминий и медь – состоят из ровных рядов атомов или молекул, упакованных в плотную структуру. Считается, что именно такая конфигурация обеспечивает необходимое условие свободного движения электронов.
Однако экспериментируя с материалами на основе молекулярных нитей из углерода и серы с вкраплениями атомов никеля, американские ученые из Университета Чикаго получили неожиданные результаты. В их руках оказался уникальный материал, в котором молекулярные фрагменты перемешаны, но сохраняют способность отлично проводить электрический ток.
Такое поведение противоречит законам физики и может оказаться крайне полезным: новый материал, принимающий заданную форму, как пластилин, открывает путь к созданию электроники нового поколения.
Поразительно, что очень эффективный проводник электричества сохраняет при этом производительность в различных экстремальных условиях – его нагревали, охлаждали, подвергали воздействию воздуха и влаги и даже капали на него кислотой и щелочью.
Фантастические свойства проводящего электричество «пластилина», устойчивого к внешним воздействиям, открывают невероятные возможности его использования. Обычно металлы приходится плавить, чтобы придать им нужную форму, а его можно изменять при комнатной температуре, делать двух- или трехмерным, пористым или даже придавать ему новые свойства путем добавления различных элементов.
Земной «космический магнит»
В Кембриджском Университете решили не отставать от американских коллег и начали проводить эксперименты с тетратэнитом, так называемым «космическим магнитом». Он состоит из сплава железа и никеля, объединенных в кристаллическую структуру, которая придает ему магнитные свойства, напоминающие свойства редкоземельных магнитов.
Сложность в том, что тетратэнит легче найти в космосе в образцах метеоритов, чем на Земле. Он формируется на протяжении миллионов лет и предыдущие попытки создания минерала в лабораторных условиях имели лишь ограниченный успех.
Между тем британские ученые, тщательно изучив образцы метеоритов, обнаружили, что в составе их тетратэнитов имеется также фосфор, который помогает атомам никеля и железа сформировать нужную структуру. Поэтому они просто смешали железо, никель и фосфор в определенных количествах и увидели, что в таком случае тетратэнит формируется на 15 порядков быстрее.
Иначе говоря, если раньше в естественных условиях на формирование тетратэнита уходило миллионы лет, теперь в Кембридже смогли ускорить этот процесс до нескольких секунд. Поразило исследователей и то, что никакой специальной обработки не потребовалось: они лишь расплавили ингредиенты, разлили по формам и получили искомое вещество.
Элемент торговой войны
По словам ученых, их открытия могут привести к появлению эффективной альтернативы многим редкоземельным элементам. Напомним, ранее американские химики предложили способ получения неодима, иттрия и европия из отходов производства с помощью нетоксичных органических кислот.
Но вопрос не только в расширении возможностей науки. Редкоземельные металлы широко используются в производстве сплавов и сталей, сельском хозяйстве, оптике, энергетике, электронике, аэрокосмической и военной отрасли, а также в медицинских исследованиях и лечении некоторых видов онкологических болезней.
По сути, тот, кто сегодня контролирует запасы стратегического сырья, определяет пути и скорость дальнейшего развития человечества. Тот же неодим используется для изготовления мощных магнитов, роботов, автомобилей, жестких дисков и ветряных турбин.
Европейские эксперты предупреждают, что без этих ископаемых не будет перехода на возобновляемые источники энергии, не будет цифровизации и индустрии 4.0, не будет развития инфраструктуры и конкурентной оборонной индустрии. Именно поэтому альтернативный способ получения редкоземельных материалов открывает новую страницу не только в развитии науки и промышленности, но и глобальной экономики.
По оценкам американских экспертов, на долю Китая приходится около 36,7% известных мировых запасов редкоземельных металлов и 70,6% мирового производства этих металлов. Если бы Пекин вдруг заявил, что экспорт этих элементов прекращается, было бы очень непросто достичь уровня их производства, необходимого для поддержки индустрии стран Запада.
Как уже упоминалось, что залежи редкоземельных элементов существуют повсюду, но их добыча дорогостояща и в высшей степени разрушительна для природы. Например, недавно в Германии нашли до 15 млн тонн лития, который является основой для производства высокоэффективных аккумуляторов. Чтобы добраться до сырья, термальные воды с температурой до 200 градусов необходимо поднимать на поверхность с глубины до четырех километров и отфильтровывать для добычи лития. Против необходимого для этих целей глубокого бурения выступает местное население, которое опасается загрязнения окружающей среды и землетрясений, а также повреждения своих домов.
Таким образом, открытия в области создания металлов или появления у них новых свойств позволят, с одной стороны, снизить ущерб для окружающей среды и зависимость от сырьевых зарубежных источников, с другой, привести к серьезным изменениям на мировом рынке сырья, со всеми вытекающими отсюда геополитическими и геоэкономическими последствиями.
