化学让生活更美好
化学让生活更美好
在渴求种种物质好处的当今世界中，150 年前俄罗斯化学家门得列夫发明的元素周期表成了解决问题的答案
美国发明家富勒 (Buckminster Fuller) 曾经将科技的进步形容为「昙花一现」。阳光和微风正在取代煤炭和石油作为能源，品牌比建筑物对企业更重要，而法定货币取代了黄金和白银。所以我们有理由断定，对铜、铁、汞、硫等物质进行粗略分类的元素周期表已经过时，就像打字机一样再无用武之地。
Featured in Bloomberg Businessweek , Sept. 2, 2019.
Photograph by Tommy Trenchard (neon), Shawn Records (sodium), Christie Hemm Klok (berkelium), Carlotta Cardana (gold), and Kiliii Yuyan (neodymium) for Bloomberg Businessweek
事实恰恰相反，重要的依然重要。在俄罗斯化学家门得列夫 (Dmitri Mendeleev) 编制 元素周期表 150 周年 之际，这张小小的表格从未像今天这样重要。诚然，科技把我们这个世界变得更加虚幻，但同时也大大提升了物质的性能，使其变得更趋成熟。飞机引擎、电脑芯片以及药品功效的显著提升在很大程度上归功于生产它们的物质： 元素 。
硬盘需要超强磁铁？试试铷。想要吸收潜艇核反应堆的中子，试试铪。一把士巴拿 (wrench)？试试铍。要磁力共振扫描 (MRI) 的显影剂？试试钆。就算是富勒笔下昙花一现的软件和创意世界，也要靠货真价实的电脑、服务器和光纤网络来体现，而这些都仰赖于门得列夫那张著名的元素周期表。
在过去的 150 年、尤其是第二次世界大战以来，科学家和工程师们已经学会把元素周期表当作一张食谱，信手拈来，按需要索取。单车轮框中加入了钪，牙膏中含有锡 (tin，氟化亚锡)，导尿管中有钨的成份，某些电脑芯片中含有砷。在经历了石器、青铜、铁器时代后，人类已经进入了万物时代，元素周期表中的几乎每一种元素在当今经济中都或多或少地发挥着某种作用。一些制造成本高昂且放射性极强的物质不算在内，如锿。
Produced in 1984, the Motorola DynaTAC 8000x was the first mobile cellular phone.
Photograph by Chris Willson/Alamy
手机完美地展示了元素应用的复杂性。全球第一部手机诞生于 1980 年代，其尺寸如鞋盒大小，包含了 25 到 30 种元素，美国国家地质调查局矿产资源项目副主管梅纳特 (Larry Meinert) 在 2017 年回忆道，「如今的手机可以装在口袋中，或戴在手腕上，包含了 75 种不同元素，其中四分之三来自于元素周期表。」其中可能包括产自东非国家卢旺达的钽、白俄罗斯的钾、墨西哥的银、缅甸的锡、印度的碳和中国的锗。
核医学是另一个例子。耶鲁大学工业化生态中心的格雷戴尔 (Thomas Graedel) 和格林菲尔德 (Aaron Greenfield) 在 2013 年发表于《资源、保护和再生》(Resources,Conservation and ecycling) 杂志上的一篇文章中对此进行了高度诠释。1936 年，医生使用磷和钠的同位素来治疗白血病。1939 年，他们率先将碘同位素用于甲状腺成像和治疗。1957 年，氙被用于肺通气的研究。1964左右，科学家将锝用于骨骼和心肌成像。2008 年，镥同位素开始应用于前列腺癌的治疗。
在对已知的元素进行再深度的探究，作为物种的人类，也在遵循着自己的进化进程，经过数百万年的演变和进化，我们的身体已经包含了元素周期表中的 30 多种元素，存在于自然界中的一些物质如今已经和我们融为一体。人体中 96% 的物质是碳、氧、氢和氮。人类的身体既消耗着钙、氯、镁、磷、钾、钠、硫，以及微量的硼、铬、钴、铜、氟、碘、铁、锰、钼、硒、硅、锡、钒和锌，亦是这些物质组成身体。
人类的身体成为了产品工程师和物质科学家实践的楷模。我们从中学到的第一课是「数量」(quantities)，以钴为例，这种元素是维生素 B12 的一部份，这种物质对于蛋白质的形成和 DNA 的调控至关重要。但是一旦过量，它就会变成一种毒品。
Mendeleev
Heritage Image Partnership Ltd /Alamy
我们学到的另一课就是我们还有许多要学。生物学家们正试图弄清楚，人体中发现的其他几十种元素有何效用。在泛指吸毒取乐之前，「化学让生活更美好」曾经是杜邦公司 (DuPont) 的一句口号，这家公司一直致力于将元素周期表上元素的用途发挥到极致，引以为豪的成功事例不胜枚举。现代化学家比起中世纪的炼金术士要进步许多，后者枉费心机地想把铅这样的金属转化为黄金，结果自然是竹篮打水一场空。门得列夫开创的元素周期表开启了化学的黄金时代，在这个时代的早期，德国走在所有国家的前面。1910 年，德国科学家博施 (Carl Bosch) 在其同胞哈伯 (Fritz Haber) 发明的由氮气合成氨的基础上，更进一步用氮与氢反应生成氨，后者成为生产化肥的主要原料。农作物收成因此大幅提高，这使得更少的农夫能养活更多的人。今天能够在办公室里工作，我们要感谢博施和哈伯 (不光彩的一面是，哈伯在第一次世界大战期间以氯为原料发明了毒气。)
正如氨的故事所展示的那样，不仅仅是稀缺的元素被赋予新用途。普通的元素也焕发出新生命，硅谷就是在普通的硅的基础上打造的，硅是地壳中储量仅次于氧的第二大元素。另一种常见的元素——氢，是宇宙中最丰富的元素，将来有一天， 氢有可能通过阻止气候变化来拯救地球 。目前，氢主要从天然气和煤中提取，国际能源署 (IEA) 的数据显示，氢提取过程中释放的碳相当于英国和印尼一年的碳排放总量。氢也可以通过电击从水中提取出来。氢还可以在燃料电池中与氧结合，为宇宙飞船或汽车提供动力，令排气管里排放出来的唯一物质是水，没有废气。
换句话说，氢可以作为最终的清洁能源载体。保护环境的关键是找到更便宜、更清洁的方法来生产电解水所需的电力。就这方面而言，太阳能似乎是个不错选择。氢也是另一个拯救地球技术——核聚变反应堆的主角。有朝一日，核反应堆将把氢原子聚变成氦，并释放出清洁能源。
Where Elements Are Found
Data: Arizona State University, “The Composition of the Earth” (W. McDonough), NASA, Geological Survey of Norway
当今世界对元素的需求带来了新问题，比如新形式的物质稀缺。木材可能不是什么神奇的物质，但它至少容易获得。今天的技术很容易受到遍布全球的供应链中断的冲击。中国是稀土金属的主要供应商，稀土金属是一组 17 种元素，用于先进的磁铁、电池和其他设备。美国海军中的一艘维珍尼亚级核动力攻击潜艇 (Virginia-class attack submarine) 使用了近 5 吨的稀土金属。
如果自由市场机制能够有效运转，发生了物质短缺可以通过价格的上涨得到缓解，在遏制消费的同时，价格上涨会起到促进生产或开发替代品的作用。《人口爆炸》(The Population Bomb) 一书作者、生物学家欧利希 (Paul Ehrlich) 在他和经济学家西蒙 (Julian Simon) 之间一场对赌中失败，欧利希在 1980 年代预言，在接下来的十年，铬、铜、镍、锡和钨的价格将会上涨，结果是所有五种原料的价格都变得更加便宜。
Native gold.
SPL/Science Source
但我们有理由认为市场并不完全可信。国家安全是其中一个重要原因。如果美中或美俄之间爆发战争，那么任何价格都不足以吸引敌人向美国供应原材料。在一个国家无法获取所需的自然资源时往往会发生战争。在第二次世界大战前，自然资源匮乏的日本就出兵占领中国东北。除了煤以外，几乎什么都缺的德国通过发动战争来获取钴、铜、铁矿石、石油、橡胶、钨和铝生产所需的铝土矿。轴心国最终失败的部份原因是，同盟国切断了这些关键原材料的供应。
美国特拉华大学 (the University of Delaware) 环境规划教授阿里 (Saleem Ali) 曾呼吁签署国际条约，防止「旧殖民时代的财富掠夺」再次上演，他指的财富不只是稀缺的矿藏，还包括糖、香料和香草。此外，市场力量的反应往往会慢半拍。据美国耶鲁大学工业生态学荣誉教授葛雷德 (Thomas Graedel) 估计，一个新矿山要投入商业生产需要 15 到 30 年时间。他表示，加快审批有助于投产的加快，前提是矿业公司不会滥用优惠。 具有讽刺意味的是，对于绿色经济所依赖的许多元素，其生产过程中最欠缺的就是绿色。如果没有强而有力的全球标准，自由市场机制的结果就是，将生产推向保护环境最少的国家。
Carbon powder.
Photograph by Charles D. Winters/Science Source
经济学原理和地缘政治将推动全球更重视资源的再利用。资源回收的理念将深入到产品的设计当中。这将有利于那些最具适应性的元素。总部设在美国加州帕洛阿尔托 (Palo Alto) 的未来研究所 (Institute for the Future) 的研究员卡肖 (Jamais Cascio) 说道：「可以像石墨一样柔软，也可以像钻石一样坚硬，碳可能是首选材料。」他补充道，「与其担心如何减少碳的排放相比，我们可能更关心如何将碳的投入最大化。」
以每吨价格计算，世界所产出物质的价值一直在上升——体积越来越小，价值越来越高。但是富勒错的是，技术进步不是昙花一现，而是一种发明。就这方面而言，再也找不到比门得列夫的元素周期表更鲜明的例子。
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