美國科學家聚焦稀土元素永續性、使用效率分析地球礦物開發新耐熱材料

THE MERIT TIMES

編譯／韋士塔 2023-12-23

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稀土元素被用來製作耐熱材料，但成本高昂。圖／美聯社、網路

維吉尼亞大學的研究人員分析最新材料。圖／美聯社、網路

科學家利用礦物、岩石，開發最新耐熱材料。圖／美聯社、網路

耐熱材料攸關極音速飛行的進展。圖／美聯社、網路

編譯／韋士塔

能源生產、極音速飛行技術等領域的創新，已帶動耐熱材料的需求；在科學家使用各種化合物研製新型耐熱材料之際，美國國防部正資助一項研究計畫，探索使用天然礦物、岩石，開發突破性耐熱材料的可能性，並聚焦稀土元素的永續性及使用效率。

美國國防部透過其「多重學科大學研究計畫」（MURI），撥款625萬美元（約新台幣1.9億元）給維吉尼亞大學、亞利桑那州立大學的研究團隊；MURI為科學研究提供資金，希望藉由不同學科的合作，在一些重要領域取得突破性的進展。

有關耐熱材料的研究計畫由維吉尼亞大學的歐皮拉（Elizabeth J. Opila）教授主持，研究人員分析地球及太空中發現的礦物、岩石，開發新一代高溫材料。歐皮拉表示：「太空探索、極音速飛行、能源生產等是當前最重要的領域，可承受高溫的材料則攸關這些領域的發展；科學家們不斷嘗試新方法製作新材料，例如以不同的方式混合不同的元素，我們則受到地質學與行星形成的啟發，希望運用礦物、岩石的相關知識，創造全新耐熱材料。」

歐皮拉指出，研究人員解析地球如何形成，並在實驗室複製自然的礦物成分、溫度、壓力，製造合成材料，並開發高溫材料的加工方法及成分。

研究團隊利用化學變化，分離特定材料，再透過稀釋、加熱及乾燥手續，使材料變成粉末並施加熱量、壓力，最後形成緻密的圓球。這些材料的性能將優於目前在高溫環境使用的陶瓷、合金與塗層，能夠抵抗高溫或腐蝕。

研究團隊也模擬行星形成的過程或地質現象，例如：水熱合成法（hydrothermal synthesis），在高壓下的熱水中合成材料。歐皮拉表示，地球內部的環境為高溫、高壓並富含水分，很可能是形成稀土元素礦物的重要條件；因此，使用水熱合成法成為研究重點之一，因為稀土元素與再生能源的發展密不可分。

研究表示，許多稀土元素已用來製作高溫材料，例如：航空及極音速飛行設備的塗層，以及電池、LED設備與其他產品；然而，目前使用的稀土成本高昂，生產手續繁瑣，從土壤、岩石中分離這些元素需要數十個步驟，且多數步驟都會造成汙染。

研究團隊的目標，是減少稀土元素的生產手續，以降低成本並減少汙染；歐皮拉表示：「我們現在使用的所有稀土氧化物都存在於礦物中，必須先進行開採，接著再以各種手續將其分離出來，但這些流程非常複雜，並且需使用許多化學物質，產生對環境有害的廢棄物。」

歐皮拉與研究團隊的核心目標，是「直接從地下取出某些穩定的礦物質，只要稍加清理就能用來製作所需材料」。她表示：「我們正在探索哪些礦物最穩定，以及它們的屬性，利用這些知識來創造性能更優異的材料。」

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