稀土爭奪戰(2)：稀土如何強化科技設備？

稀土元素能為現代科技開外掛，無論是電動車的強勁加速、手機螢幕的鮮豔色彩，還是耳機中清晰動人的音質，這些都有賴於稀土元素的應用。稀土元素的強磁矩、高矯頑力以及高密度的能階，造就了當今高效能的科技產品，也因此稀土的礦權成為了國際間相互爭奪的標的，讓我們一起來了解稀土元素如何推動現有的科技吧！

撰文｜黃鼎鈞

預約Uber乘車，來了一部電動車，驚奇著它高效的加速過程，接著打開手機滑著社群平台又戴上耳機聆聽音樂，享受一趟美好的通勤時光，這已成為許多通勤族的日常風景，但你可曾經想過，是什麼元素造就了這樣的科技享受，帶來了高速的引擎、鮮豔的螢幕以及悅耳的音質？支持著這些科技的正是稀土元素。在上一篇文章《稀土爭奪戰(1)：稀土是什麼？它一點也不稀有！》中已經介紹了什麼是稀土元素，以及為什麼它成為了兵家必爭的元素，這一次，我們將更深入地來了解，稀土元素如何成為科技的推手。

稀土元素讓電動車跑得更快！

電動車之所以能達到極大的加速度，是因為馬達能夠產生強大且穩定的磁場，迅速驅動輪軸轉動，而這樣的強磁場正是仰賴稀土元素中的釹 (Nd)、鏑 (Dy) 等元素。以釹 (Nd) 元素為例， 釹鐵硼 (NdFeB) 磁鐵的四方晶系 (Tetragonal Crystal System) 是一種具有高度對稱性但同時在一個方向上顯著拉伸的晶體結構。這種結構中，釹 (Nd) 原子位於特定的晶格點，並與鐵 (Fe) 原子形成強烈的交換作用 (Exchange Interaction)。由於四方晶系中c軸方向的原子間距較大，釹的磁矩會自發地沿著此軸排列，並且在外加磁場中更容易鎖定磁矩的方向，從而強化了整體磁場的穩定性。這種結構還賦予磁鐵極高的矯頑力 (Coercivity)，使其在高溫或外加磁場變化下仍能保持磁性不減，顯著提升電動車馬達的能量密度，並在短時間內提供強勁的扭力輸出，進而達到快速加速的效果。

稀土元素讓顯示器更鮮明

除了磁性之外，稀土元素的電子結構也賦予其獨特的光學特性，造就了鮮豔的螢幕色彩。稀土元素的4f電子層具有複雜的能階結構，這些能階僅在特定能量條件下吸收或發射光子，類似音叉只能在特定頻率共鳴。由於4f電子層的能階分布密集，且每個能階對應於極窄的能量範圍，當光波的能量恰好匹配某個能階時，電子便會發生躍遷。這種特性讓稀土元素能精確發出單一波長且純淨的光波，成為光學應用的理想材料。以釹 (Nd) 為例，其電子組態為 [Xe] 4f⁴ 6s²，其中4f電子層中存在許多電子能階，能透過能量躍遷發出波長約1064奈米 (nm) 的紅外光，因此釹被廣泛應用於Nd:YAG雷射器中，這類雷射器已成為工業切割、醫療手術及軍事設備的重要光源。鉺 (Er) 主要發射波長約1550奈米 (nm) 的近紅外光，這是光纖通訊的最佳波段，因1550奈米波長恰好位於光纖材料（如石英玻璃）吸收最低的「透明窗口」，因此吸收損耗極小，這可使光訊號傳遞更遠，且在通訊頻譜中受干擾最少，確保訊號穩定清晰。因此，鉺 (Er) 摻雜光纖放大器後，能有效放大光信號，顯著提升訊號傳輸距離及穩定性，這種特性使鉺 (Er) 在高速光纖網路中成為訊號傳輸不可或缺的材料。此外，稀土元素中的銪 (Eu) 會發射波長約620奈米 (nm) 的紅光，這一波段恰好是人眼對紅光最敏感的範圍，使用者能接受到鮮豔且飽和的紅色，常見於LED顯示器中，不只如此，銪 (Eu) 還廣泛應用於防偽技術，例如歐元紙鈔上的防偽標誌便使用了銪元素的熒光粉，當紙鈔暴露於紫外光時，銪會發出紅色熒光，讓人們能輕易以肉眼識別紙鈔真偽。

稀土元素提升你的耳機音質

為什麼稀土元素能讓耳機的音質更好？根據勞倫茲力 (Lorentz Force) 的原理，即當載流導線置於磁場中時，會受到一股垂直於電流與磁場方向的力，耳機正是利用股力推動音圈移動，進而帶動振膜震動產生聲音，由於稀土元素擁有高磁矩，也就是物質內部能產生較大的磁場，能提升耳機音圈的驅動力和靈敏度，提升了音圈將電信號轉化為聲音振動的效率與準確性，改善聲音輸出的品質，此外，其高矯頑力還能防止音圈受外界磁場干擾，確保聲音穩定與細節呈現。在稀土元素中，釹 (Nd) 是耳機應用的首選，其居禮溫度 (Curie Temperature) 為312 ℃，即釹在高於312 ℃時才會失去其鐵磁性，此溫度足夠能應付日常的使用場景，而最重要的是，釹 (Nd) 的提取成本較其他稀土元素還低，且全球地理分布較為均勻，供應鏈較不易受政治力影響，成為各大公司開發科技產品的最佳選擇。

稀土元素的高磁矩與高矯頑力成為了現代科技的幕後推手，同樣的產品設計，因著添加稀土元素就能提升產品效能，彷彿是在一般的腳踏車上安裝了電動輔助裝置，騎乘更輕鬆、更快速，也難怪稀土礦權成為了美國川普總統的戰略要地，關係著國家科技競爭力的維持，然而，為什麼稀土的開採與提取如此困難，下一篇我們將一起來認識稀土開採的技術，並且了解稀土元素可能造成的環境汙染，以及要如何進行回收。

✨延伸閱讀：《稀土爭奪戰 (1)：稀土是什麼？它一點都不稀有！》

參考文獻

1. Zhu, Wei, and Shun Xu. "Rare Earth Elements in Modern Technology and Supply Chain Risks." Journal of Materials Science & Technology 56, no. 2 (2021): 221-230.
2. Wang, Li, and Jie Chen. "Magnetic Properties and Applications of Rare Earth Materials." Journal of Applied Physics 48, no. 3 (2019): 341-350.
3. L.X. Liao, Z. Altounian, and D.H. Ryan. Cobalt site preferences in iron rare-earth-based compounds. Physical Review, Serie 3. B - Condensed Matter (18,1978-), 47:11230–11241, 1993.