元素週期表的現代勝利 - 彭博社

插圖：731發明家巴克敏斯特·富勒曾將技術進步描述為“短暫化”。陽光和微風正在取代煤炭和石油作為能源來源，品牌對企業的重要性超過了建築物，而法定貨幣已取代黃金和白銀。因此，可以合理地得出結論，元素週期表——那種關於銅等物質的古怪分類法，鐵、汞和硫——已經過時，不再比手動打字機更相關。

但事實恰恰相反。物質仍然重要。在俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫制定元素週期表150週年之際，它比以往任何時候都更重要。

刊登於 彭博商業週刊，2019年9月2日。 立即訂閲。攝影師：湯米·特倫查德（霓虹燈）、肖恩·里科茲（鈉）、克里斯蒂·赫姆·克洛克（鈹）、卡洛塔·卡達納（黃金）和基利·餘彥（釹）為彭博商業週刊拍攝確實，技術使經濟變得更加虛擬，但它也大大提高了物質對象的能力和複雜性。噴氣發動機、計算機芯片和藥物的增強效能很大程度上取決於它們的材料：元素。需要一個超強磁鐵用於硬盤驅動器？試試釹。在潛艇核反應堆中吸收中子的材料？鉿。防火花扳手？鈹。磁共振成像的對比劑？釓。即使富勒的短暫軟件和理念世界也依賴於非常真實的計算機、服務器和光纖網絡，而這些都是由門捷列夫的著名錶格構建的。

在過去的一個半世紀，特別是自第二次世界大戰以來，科學家和工程師們學會了將週期表視為一個宴會桌——一個豐盛的盛宴，從中挑選他們所需的元素。自行車框架中有 鈧，牙膏中有錫（氟化亞錫），導管中有鎢，還有 砷在一些計算機芯片中。我們早已超越了石器時代、青銅時代和鐵器時代，進入了萬物時代，因為週期表上的幾乎每一個元素都在今天的經濟中被用於某種用途（不包括 合成元素，這些元素製造成本高且高度放射性，例如愛因斯坦ium）。

1984年生產的摩托羅拉DynaTAC 8000x是第一部移動手機。攝影師：Chris Willson/Alamy手機體現了複雜化。1980年代的第一部手機“大小如鞋盒，由25到30種元素組成，”美國地質調查局能源和礦產副助理主任Larry Meinert在2017年説。“今天，它們可以放進你的口袋或手腕上，由大約 75種不同的元素製成，幾乎佔據了週期表的四分之三。”這可能包括來自盧旺達的鉭、來自白俄羅斯的鉀、 來自墨西哥的銀、來自緬甸的錫、來自印度的碳和來自中國的鍺。

核醫學是另一個例子，在2013年文章中強調，發表於資源、保護與回收期刊，由耶魯大學工業生態中心的托馬斯·格雷德爾和亞倫·格林菲爾德撰寫。1936年，醫生們使用磷的同位素和鈉來治療白血病。1939年，他們開創了碘的同位素用於甲狀腺成像和治療。1957年，使用氙進行肺通氣研究。大約在1964年，使用鍀進行骨骼和心肌成像。一直到2008年，當一種銩的同位素開始用於前列腺癌應用。

在利用更多可用元素的過程中，我們遵循了作為一個物種的進化歷程。在數百萬年中，我們的身體已經進化以利用週期表中的30種或更多的元素，這些來自環境的物質現在已融入我們自身。我們所組成的絕大部分——96%——是碳、氧、氫和氮。但我們的身體也使用並由鈣、氯、鎂、磷、鉀、鈉和硫組成，以及微量的硼、鉻、鈷、銅、氟、碘、鐵、錳、鉬、硒、硅、錫、釩和鋅等元素。

作為我們的第一家工廠，我們的身體是產品工程師和材料科學家的良好榜樣。一個教訓是數量很重要。例如，鈷是維生素B12的一部分，維生素B12對蛋白質形成和DNA調節至關重要。但過量時，它是一種毒藥。另一個教訓是還有很多東西需要學習。生物學家正在試圖弄清楚體內其他幾打元素的有用性（如果有的話），這些元素的含量甚至更少。

門捷列夫照片：遺產圖像合作有限公司 / Alamy在“通過化學改善生活”成為對休閒藥物使用的懶散引用之前，它曾是杜邦公司的口號，真誠地呼籲將元素週期表好好利用。我們有很多值得驕傲的地方。現代化學家比中世紀的鍊金術士進步了很多，後者徒勞地試圖將鉛轉變為黃金。門捷列夫的元素週期表的創建幫助迎來了化學的黃金時代，德國是早期的領導者。1910年，德國的卡爾·博施擴大了他的同胞弗裏茨·哈伯的工藝，將空氣中的氮與氫反應生成氨，氨是肥料的主要成分。作物產量激增，使得即使在農場工作的人更少的情況下，也能養活更多的人。如果你今天在辦公室工作而不是在農場，請感謝哈伯、博施和氮的固定。（另一方面，哈伯在第一次世界大戰中也將氯武器化為毒氣。）

地球博士氮肥。來源：地球博士正如氮的故事所示，不僅是難以找到的元素被賦予了新的用途。硅谷建立在普通硅的基礎上，硅是地殼中僅次於氧的第二豐富元素。另一個常見元素——氫，宇宙中最豐富的元素——有一天可能通過 遏制氣候變化來拯救地球。根據國際能源署的數據，目前氫主要是通過天然氣和一些煤炭生產的，這些過程每年排放的碳量與英國和印度尼西亞的排放總和相當。但氫也可以通過簡單的水和電流的衝擊來提取，產生的副產品僅為氧氣。之後，這些氫可以與氧氣在燃料電池中重新結合，為宇宙飛船或汽車提供動力。排氣管中排出的唯一物質是水。

換句話説，氫可以作為終極清潔能源載體。對環境來説，關鍵是找到更便宜、更清潔的方式來產生電力，以電解水。太陽能似乎是一個不錯的候選者。氫也是另一種拯救地球的技術——核聚變反應堆的主要參與者，它（有一天）將氫原子融合成 氦並釋放清潔能源。

元素的來源

數據：亞利桑那州立大學，“地球的組成”（W. McDonough），NASA，挪威地質調查局

現代對元素的需求帶來了新的陷阱，例如新的稀缺形式。木材，作為早期時代的基材，可能不是一種奇蹟材料，但至少它是 容易獲取的。今天的技術容易受到延伸到地球各個角落的供應鏈中斷的影響。中國是 稀土金屬的主要供應國，這是一組用於先進磁鐵、電池和其他設備的17種元素。美國海軍的一艘弗吉尼亞級攻擊潛艇幾乎使用了5噸這些元素。

如果自由市場運作有效，元素的即將短缺應該通過價格上漲來糾正，這會抑制消費，同時鼓勵更多生產或替代品的開發。正如市場諺語所説，高價格的解藥就是高價格。生物學家保羅·厄爾裏希，人口炸彈的作者，曾在1980年預測鉻、銅、鎳、錫和鎢的價格將在接下來的十年中上漲，因此與經濟學家朱利安·西蒙打了一個賭，結果他輸了。這五種元素的價格都變便宜了。

但有理由不完全信任市場。其中一個原因是國家安全。如果美國與中國或俄羅斯之間的戰爭威脅爆發，沒有任何價格能夠足以誘使這些敵對國家向美國戰爭機器提供原材料。當一個國家無法獲得所需的自然資源時，戰爭往往會隨之而來。資源匱乏的日本在第二次世界大戰前佔領滿洲以獲取鐵礦石。德國幾乎缺乏所有資源，除了煤炭，尋求“生存空間”——字面意思是“生活空間”——以獲取鈷、銅、鐵礦石、石油、橡膠、鎢和鋁土礦。軸心國最終失敗，部分原因是盟軍切斷了他們對這些關鍵原材料的獲取。

天然金。照片：SPL/科學來源特拉華大學的環境規劃教授Saleem Ali主張制定一項國際條約，以防止“舊殖民地對財富的爭奪”重演，他指出這種情況不僅發生在礦產上，還發生在糖、香料和香草上。

市場力量的反應也可能過於緩慢。耶魯大學的Graedel，工業生態學名譽教授，估計新礦投入商業生產需要15到30年。他表示，加快許可程序將有助於這一點，只要這不會為礦業公司濫用打開大門。具有諷刺意味的是，綠色經濟依賴於許多生產過程遠非綠色的元素。如果沒有強有力的全球標準，自由市場可能會將生產推向那些對環境保護最少的國家。

碳粉。攝影師：Charles D. Winters/科學來源經濟學和地緣政治將推動世界更大程度地重用元素。回收將融入產品設計中。這將有利於那些最具適應性的元素。“碳可以像石墨一樣柔軟，也可以像鑽石一樣堅硬，可能是首選材料，”加州帕洛阿爾託的未來研究所研究員Jamais Cascio在2012年寫道。“與其擔心減少碳排放，我們可能會發現自己在努力最大化碳輸入，”他補充道。

世界產出的價值以每噸美元的形式不斷上升——更少的質量帶來更多的價值。但巴克敏斯特·富勒是錯的。技術進步不是短暫化。它是發明——而沒有比利用門捷列夫的元素週期表更清晰的發明例子。 這個故事來自 彭博商業週刊的特刊 元素*。*