國產稀土納米材料研發讓資源不再“白菜價”外銷
我國雖是稀土大國，但應用基礎研究嚴重滯后，“工業味精”只能像土豆、白菜一樣廉價。自1995年起，北京大學嚴純華團隊經過15年持續攻關，建立了可控制備稀土納米功能材料的方法，為我國稀土資源的高效、高值化利用開辟了新途徑；其研究課題“稀土納米功能材料的可控合成、組裝及構效研究”，榮獲2011年度國家自然科學二等獎。
嚴純華教授，長江學者特聘教授，中科院新科院士，北京大學稀土材料化學及應用國家重點實驗室主任，多年來在稀土分離、稀土功能材料應用等方面進行了系統而深入的創新性研究，為我國稀土提取和分離技術躋身世界領先水平做出了突出貢獻。
在北大化學系辦公室，他用通俗的語言向記者進行科普：所謂納米就是十億分之一米，其長度相當于人類頭發直徑的八萬分之一。當一種材料的尺寸變小，小到只有納米長度的時候，它會呈現出很多奇異的特征，這就是納米科學的微妙之處。
“在納米尺度下，材料的性質受到表面狀態的影響非常大。”他打了個比方：一塊完整的磚頭，它的性質與內部結構有關，而與表面關系不大；當把磚頭研磨成十億分之一米大小的碎片，使表面的原子和內部原子數量可比時，這時表面的性質就活躍起來了。“因此，在納米尺度下控制表面和形貌，往往能夠帶來性質上的巨大變化。”
嚴純華的稀土納米功能材料研究，正是基于這樣的原理。從1995年開始，他帶領的團隊建立了一系列合成方法，能夠可控地制備具有納米結構的稀土材料，并且有效地控制它們的尺寸、形貌和表面。“我們可以把稀土材料做成球體的、立方體的、三角片的，等等。”
把納米材料做小并不難，難的是做得小而均勻。嚴純華等所創造的合成方法，其關鍵之處就在于把稀土化合物合成為具有特定形貌、尺寸和結構的“單分散”的納米結構材料。所謂“單分散”，就是均勻。化學界有一句口頭禪：結構決定性質。在新的尺度下，將稀土材料制成尺寸均一的材料，使過去不穩定的結構加以穩定，這樣就能產生或發現新的性質。
“實驗發現，針對不同體系，不同的化合物總會呈現出新性質，這就大大拓寬了稀土化合物的作用和使用范圍。”嚴純華說，目前該項研究已經可以應用到生物成像、能量轉化和環保等領域。
水往低處流，能量的轉化也遵循同樣原理。“能量總是從高向低運行，因此在稀土發光材料中，通常都是吸收高能量的紫外線，發出低能量的可見光。”嚴純華等充分利用稀土氟化物具有的優異上轉換發光性質，可控地制備了單分散納米材料，從而有效地實現了讓能量從低向高轉化——吸收兩個或兩個以上低能量的紅外光子，高效率地發出相對高能量的可見光。“紅外影像技術在生物監測中具有特殊的優越性，它對生物體的穿透力更強，更安全。”上轉換稀土納米熒光材料，在近紅外光激發下，可發出藍、綠、紅光，可廣泛應用于激光器件、癌癥診斷與治療等領域。
在強化物質轉化和環保方面，以納米結構氧化鈰為典型的稀土化合物具有較大的表面積，從而有效提高了催化效率。同時，這種材料還可制備出大小均勻的孔道，有可能實現更加優越的選擇性催化。嚴純華團隊制備的有序介孔鈰基復合催化劑，能在較低溫度實現有毒的一氧化碳氣體向無毒的二氧化碳氣體的完全轉化，因而有可能為實現汽車尾氣的低成本、潔凈排放提供新型材料。
如果從1982年算起，嚴純華已在稀土研究領域耕耘了30年。他說，基礎研究是神奇的，稀土家族的17個元素，每個都具有自然賦予的獨特性質；基礎研究也是艱苦的，必然要面臨各種各樣的困難。“在稀土領域，我們了解了一些，但不了解的更多。”嚴純華說，“只有保持學習的心，才能繼續往前走。”
采訪結束，嚴純華誠懇地說：“這個歷時15年的研究完全是集體奉獻的結果，團隊中的每一位師生都付出了心血。”
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