元素周期表的现代胜利 - 彭博社

插图：731发明家巴克敏斯特·富勒曾将技术进步描述为“短暂化”。阳光和微风正在取代煤炭和石油作为能源来源，品牌对企业的重要性超过了建筑物，而法定货币已取代黄金和白银。因此，可以合理地得出结论，元素周期表——那种关于铜等物质的古怪分类法，铁、汞和硫——已经过时，不再比手动打字机更相关。

但事实恰恰相反。物质仍然重要。在俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫制定元素周期表150周年之际，它比以往任何时候都更重要。

刊登于 彭博商业周刊，2019年9月2日。 立即订阅。摄影师：汤米·特伦查德（霓虹灯）、肖恩·里科兹（钠）、克里斯蒂·赫姆·克洛克（铍）、卡洛塔·卡达纳（黄金）和基利·余彦（钕）为彭博商业周刊拍摄确实，技术使经济变得更加虚拟，但它也大大提高了物质对象的能力和复杂性。喷气发动机、计算机芯片和药物的增强效能很大程度上取决于它们的材料：元素。需要一个超强磁铁用于硬盘驱动器？试试钕。在潜艇核反应堆中吸收中子的材料？铪。防火花扳手？铍。磁共振成像的对比剂？钆。即使富勒的短暂软件和理念世界也依赖于非常真实的计算机、服务器和光纤网络，而这些都是由门捷列夫的著名表格构建的。

在过去的一个半世纪，特别是自第二次世界大战以来，科学家和工程师们学会了将周期表视为一个宴会桌——一个丰盛的盛宴，从中挑选他们所需的元素。自行车框架中有 钪，牙膏中有锡（氟化亚锡），导管中有钨，还有 砷在一些计算机芯片中。我们早已超越了石器时代、青铜时代和铁器时代，进入了万物时代，因为周期表上的几乎每一个元素都在今天的经济中被用于某种用途（不包括 合成元素，这些元素制造成本高且高度放射性，例如爱因斯坦ium）。

1984年生产的摩托罗拉DynaTAC 8000x是第一部移动手机。摄影师：Chris Willson/Alamy手机体现了复杂化。1980年代的第一部手机“大小如鞋盒，由25到30种元素组成，”美国地质调查局能源和矿产副助理主任Larry Meinert在2017年说。“今天，它们可以放进你的口袋或手腕上，由大约 75种不同的元素制成，几乎占据了周期表的四分之三。”这可能包括来自卢旺达的钽、来自白俄罗斯的钾、 来自墨西哥的银、来自缅甸的锡、来自印度的碳和来自中国的锗。

核医学是另一个例子，在2013年文章中强调，发表于资源、保护与回收期刊，由耶鲁大学工业生态中心的托马斯·格雷德尔和亚伦·格林菲尔德撰写。1936年，医生们使用磷的同位素和钠来治疗白血病。1939年，他们开创了碘的同位素用于甲状腺成像和治疗。1957年，使用氙进行肺通气研究。大约在1964年，使用锝进行骨骼和心肌成像。一直到2008年，当一种铥的同位素开始用于前列腺癌应用。

在利用更多可用元素的过程中，我们遵循了作为一个物种的进化历程。在数百万年中，我们的身体已经进化以利用周期表中的30种或更多的元素，这些来自环境的物质现在已融入我们自身。我们所组成的绝大部分——96%——是碳、氧、氢和氮。但我们的身体也使用并由钙、氯、镁、磷、钾、钠和硫组成，以及微量的硼、铬、钴、铜、氟、碘、铁、锰、钼、硒、硅、锡、钒和锌等元素。

作为我们的第一家工厂，我们的身体是产品工程师和材料科学家的良好榜样。一个教训是数量很重要。例如，钴是维生素B12的一部分，维生素B12对蛋白质形成和DNA调节至关重要。但过量时，它是一种毒药。另一个教训是还有很多东西需要学习。生物学家正在试图弄清楚体内其他几打元素的有用性（如果有的话），这些元素的含量甚至更少。

门捷列夫照片：遗产图像合作有限公司 / Alamy在“通过化学改善生活”成为对休闲药物使用的懒散引用之前，它曾是杜邦公司的口号，真诚地呼吁将元素周期表好好利用。我们有很多值得骄傲的地方。现代化学家比中世纪的炼金术士进步了很多，后者徒劳地试图将铅转变为黄金。门捷列夫的元素周期表的创建帮助迎来了化学的黄金时代，德国是早期的领导者。1910年，德国的卡尔·博施扩大了他的同胞弗里茨·哈伯的工艺，将空气中的氮与氢反应生成氨，氨是肥料的主要成分。作物产量激增，使得即使在农场工作的人更少的情况下，也能养活更多的人。如果你今天在办公室工作而不是在农场，请感谢哈伯、博施和氮的固定。（另一方面，哈伯在第一次世界大战中也将氯武器化为毒气。）

地球博士氮肥。来源：地球博士正如氮的故事所示，不仅是难以找到的元素被赋予了新的用途。硅谷建立在普通硅的基础上，硅是地壳中仅次于氧的第二丰富元素。另一个常见元素——氢，宇宙中最丰富的元素——有一天可能通过 遏制气候变化来拯救地球。根据国际能源署的数据，目前氢主要是通过天然气和一些煤炭生产的，这些过程每年排放的碳量与英国和印度尼西亚的排放总和相当。但氢也可以通过简单的水和电流的冲击来提取，产生的副产品仅为氧气。之后，这些氢可以与氧气在燃料电池中重新结合，为宇宙飞船或汽车提供动力。排气管中排出的唯一物质是水。

换句话说，氢可以作为终极清洁能源载体。对环境来说，关键是找到更便宜、更清洁的方式来产生电力，以电解水。太阳能似乎是一个不错的候选者。氢也是另一种拯救地球的技术——核聚变反应堆的主要参与者，它（有一天）将氢原子融合成 氦并释放清洁能源。

元素的来源

数据：亚利桑那州立大学，“地球的组成”（W. McDonough），NASA，挪威地质调查局

现代对元素的需求带来了新的陷阱，例如新的稀缺形式。木材，作为早期时代的基材，可能不是一种奇迹材料，但至少它是 容易获取的。今天的技术容易受到延伸到地球各个角落的供应链中断的影响。中国是 稀土金属的主要供应国，这是一组用于先进磁铁、电池和其他设备的17种元素。美国海军的一艘弗吉尼亚级攻击潜艇几乎使用了5吨这些元素。

如果自由市场运作有效，元素的即将短缺应该通过价格上涨来纠正，这会抑制消费，同时鼓励更多生产或替代品的开发。正如市场谚语所说，高价格的解药就是高价格。生物学家保罗·厄尔里希，人口炸弹的作者，曾在1980年预测铬、铜、镍、锡和钨的价格将在接下来的十年中上涨，因此与经济学家朱利安·西蒙打了一个赌，结果他输了。这五种元素的价格都变便宜了。

但有理由不完全信任市场。其中一个原因是国家安全。如果美国与中国或俄罗斯之间的战争威胁爆发，没有任何价格能够足以诱使这些敌对国家向美国战争机器提供原材料。当一个国家无法获得所需的自然资源时，战争往往会随之而来。资源匮乏的日本在第二次世界大战前占领满洲以获取铁矿石。德国几乎缺乏所有资源，除了煤炭，寻求“生存空间”——字面意思是“生活空间”——以获取钴、铜、铁矿石、石油、橡胶、钨和铝土矿。轴心国最终失败，部分原因是盟军切断了他们对这些关键原材料的获取。

天然金。照片：SPL/科学来源特拉华大学的环境规划教授Saleem Ali主张制定一项国际条约，以防止“旧殖民地对财富的争夺”重演，他指出这种情况不仅发生在矿产上，还发生在糖、香料和香草上。

市场力量的反应也可能过于缓慢。耶鲁大学的Graedel，工业生态学名誉教授，估计新矿投入商业生产需要15到30年。他表示，加快许可程序将有助于这一点，只要这不会为矿业公司滥用打开大门。具有讽刺意味的是，绿色经济依赖于许多生产过程远非绿色的元素。如果没有强有力的全球标准，自由市场可能会将生产推向那些对环境保护最少的国家。

碳粉。摄影师：Charles D. Winters/科学来源经济学和地缘政治将推动世界更大程度地重用元素。回收将融入产品设计中。这将有利于那些最具适应性的元素。“碳可以像石墨一样柔软，也可以像钻石一样坚硬，可能是首选材料，”加州帕洛阿尔托的未来研究所研究员Jamais Cascio在2012年写道。“与其担心减少碳排放，我们可能会发现自己在努力最大化碳输入，”他补充道。

世界产出的价值以每吨美元的形式不断上升——更少的质量带来更多的价值。但巴克敏斯特·富勒是错的。技术进步不是短暂化。它是发明——而没有比利用门捷列夫的元素周期表更清晰的发明例子。 这个故事来自 彭博商业周刊的特刊 元素*。*