[科普中國(guó)]-為何人們感覺不到新元素的影響了

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先回顧一下歷史，我們也曾狂熱的追捧著新元素，甚至在我們對(duì)其不甚了解的情況下就大肆推廣，你不會(huì)想象出，具有放射性的鐳，被用來(lái)添加到服裝、飾品、玩具、日化用品，甚至飲料、藥品；當(dāng)然現(xiàn)在微商的主營(yíng)產(chǎn)品化妝品也是當(dāng)時(shí)含鐳產(chǎn)品的重頭戲。

“水中貴族”含鐳礦泉水（公有領(lǐng)域）

所幸的鐳的價(jià)格當(dāng)時(shí)也是極為昂貴，大多數(shù)的產(chǎn)品含量非常低或者只是聲稱含有鐳元素，但即便如此還是造成了極其嚴(yán)重的后果——大量用戶受到輻射，而最嚴(yán)重卻是那些生產(chǎn)含鐳產(chǎn)品的工人。那么，為什么對(duì)我們生活起到重要作用的元素都是我們所熟知的呢？因?yàn)檫@里有兩個(gè)基本原則：

生命會(huì)以最容易的方式同環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換 這里要先介紹一個(gè)大家可能知道但不是特別熟悉的概念：豐度——各元素在限定的研究范圍中比例。由于人類的活動(dòng)主要是位于巖石圈的上層、水圈和大氣圈中；所以，從生命進(jìn)化的角度講，生命獲取元素的來(lái)源一定從上述的圈層中攝取，所以生命體活動(dòng)也會(huì)受上面所述圈層的影響，這就導(dǎo)致了不僅人體，一般的生物體的元素豐度都會(huì)高度一致，而且生命體的部分元素比例還會(huì)還原生命的進(jìn)化中某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，比如人的體液的元素豐度同古代海洋有較高的一致性，可以作為生命來(lái)自海洋的佐證。

數(shù)據(jù)來(lái)源：USGS公共統(tǒng)計(jì)信息，圖像作者翻譯編制

從上圖可以看出，地殼的各種元素的含量相差巨大（注意y軸為指數(shù)標(biāo)記），其中含量最高的氧硅鋁鐵鈣五種元素所占了絕大部分，此外地殼中的主要造巖元素也是我們所熟知的，其原子序數(shù)都位于30之前，地殼中豐度最大的前十名元素，可占全部比例的99.85%。對(duì)比下圖，可以發(fā)現(xiàn)生命有機(jī)體構(gòu)成元素組成重要性和豐度與地殼的豐度有著高度一致性。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Chang, Raymond (2007). Chemistry (Ninth ed.). McGraw-Hill. p. 52，圖像作者翻譯編制

從整體上講，綠色越深的顏色豐度越大，綠色越淺的豐度越小，不僅如此，那些未用顏色標(biāo)注的元素，大多數(shù)不僅含量低，而且對(duì)生命體一般還會(huì)構(gòu)成危害。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Chang, Raymond (2007). Chemistry (Ninth ed.). McGraw-Hill. p. 52，圖像作者翻譯編制

形成鮮明對(duì)比的是，構(gòu)成生命的四種基本元素——碳?xì)涞?，在地球上部圈層中有著非常高豐度，而且均有多種氣態(tài)化合物，對(duì)生命有重要意義的重要元素都有不低的豐度，這為生命體能夠順利同環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換中提供了基本保證。

這樣的結(jié)果與生命的出現(xiàn)和進(jìn)化有著直接的關(guān)系：從量變到質(zhì)變，第一個(gè)可以自我復(fù)制的分子的誕生，一定是發(fā)生在較大豐度的元素中，才完成由無(wú)機(jī)體自發(fā)形成有機(jī)體的突破，再結(jié)合生命周而復(fù)始的特性，那么這種元素應(yīng)該得失電子的能力都一般；基于這種考慮碳基生命和硅基生命都有其存在的道理，但自然界中沒(méi)有硅的氣態(tài)化合物，液態(tài)化合物種類也非常少，要知道氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)的速率和幾率要遠(yuǎn)高于固態(tài)物質(zhì)。所以，斯坦利·米勒在設(shè)計(jì)驗(yàn)證生命起源假說(shuō)——“原始湯”的合成氨基酸實(shí)驗(yàn)中，使用了甲烷，氨和氫，以及水蒸氣的混合物循環(huán)通過(guò)一個(gè)裝置，利用電火花激化，一周后成功合成了不少于5種氨基酸（2011重新測(cè)定發(fā)現(xiàn)23種）。這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，除了需要模擬古代海洋和大氣的條件，氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)速率也是一個(gè)重要的考慮。所以在地球上誕生碳基生命而非硅基生命并非偶然——因?yàn)樯娴氖且粋€(gè)歡快化學(xué)反應(yīng)的集合體?。?/p>

最早提出“原始湯”假說(shuō)的亞歷山大·奧帕林（公有領(lǐng)域）

元素之間雖有不同，但亦有相似性，并沒(méi)有那么多的不可替代 第二個(gè)基本原則就是我們熟知的元素周期律，門捷列夫發(fā)現(xiàn)的元素周期律告訴我們這樣的一個(gè)規(guī)律，同一列的元素由于最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相近，因而很大比例可以找到替代元素，而這種規(guī)律甚至成為我們?cè)诶迷剡^(guò)程中的難點(diǎn)，比如晶體的不完美很多時(shí)候并不是生長(zhǎng)問(wèn)題，而是在最初原子位置被同族元素替代，比如鉀鈉，比如鈣鎂，這些也同樣豐富了我們的世界（還記得被各種長(zhǎng)石支配的日子嗎）

紛繁復(fù)雜的長(zhǎng)石礦物相圖（圖像來(lái)自于共有領(lǐng)域，旁注作者加）

為了生活的茍且，我們選擇性價(jià)比 除了這些科學(xué)上的原理，工程思維與我們的生活更加息息相關(guān)。什么是工程思維，就是將科學(xué)理論實(shí)現(xiàn)，除了基本科學(xué)性，可行性同樣重要。我們常說(shuō)的多快好省可以看作工程思維的集中體現(xiàn)，既要考慮簡(jiǎn)單實(shí)用，又要兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)效。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)建造的過(guò)程中，**不求最好，只求最適合，現(xiàn)實(shí)生活中我們大量使用替代材料，而非最佳材料。**比如我們熟知的電阻率最低的金屬是銀，但我們使用銀作為導(dǎo)線的情況少之又少，因?yàn)殂y作為貴金屬，使用成本高，故而使用大量的銅、鐵等合金替代，而且合金的線纜的許多性能是優(yōu)于銀制線纜的。

新材料：我們的目標(biāo)是——消除短板 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也從兩方面擴(kuò)大材料使用范圍，一方面降低了使用的門檻，比如礦產(chǎn)勘查，礦產(chǎn)勘查圈成礦邊界的一個(gè)重要依據(jù)就是工業(yè)指標(biāo)，國(guó)家或行業(yè)會(huì)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，一般5-10年修訂一次，即便如此，由于迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，使原先不能用的礦產(chǎn)現(xiàn)在可以用，一些以前要求的指標(biāo)，像鑄造用膨潤(rùn)土的白度，水泥用灰?guī)r的鉀鈉都不再作為工業(yè)指標(biāo)了；原先選不了的現(xiàn)在通過(guò)新的復(fù)選方法可以利用了，像超貧磁鐵礦等等。這種情況尤其到了一個(gè)規(guī)范用了一段時(shí)間后尤為明顯，礦主或者廠家頻繁反映，為什么可以進(jìn)行采礦生產(chǎn)的區(qū)域不能圈礦，不能擴(kuò)界，這個(gè)時(shí)刻勘查報(bào)告基本就得單獨(dú)附選礦實(shí)驗(yàn)報(bào)告和相關(guān)說(shuō)明進(jìn)行重新圈定或擴(kuò)界。

另一個(gè)方面就是提高材料的使用極限，針對(duì)性的彌補(bǔ)材料自身的缺點(diǎn)，就會(huì)得到應(yīng)用更廣泛的新材料。比如前一段時(shí)間，由于我國(guó)對(duì)航發(fā)工業(yè)的重視，對(duì)錸的訴求變高了，讓大家認(rèn)識(shí)到了錸這個(gè)元素，但錸這個(gè)元素，人們對(duì)其研究也不高，本身蘊(yùn)藏量就極低，主要伴生在輝鉬礦中，在此之前，我們都不會(huì)對(duì)鉬礦中的錸進(jìn)行檢測(cè)，而像葫蘆島等成礦區(qū)帶中很多鉬礦山都到閉坑的階段，是不是含錸，能不能回收都難以判斷了，讓人不免產(chǎn)生了“我生君未生,君生我已老。我恨君生遲,君恨我生早”的感慨，想這種情況，怎么辦？研發(fā)新材料，像新型的大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，越來(lái)越多的使用陶瓷基和樹脂基復(fù)合材料，這些復(fù)合材料密度低、耐高溫,對(duì)減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大，極大填補(bǔ)了對(duì)特種金屬不足的缺失。

依然還將使用空心鈦風(fēng)扇葉片的WS20概念圖（圖片來(lái)源：網(wǎng)友提供）

當(dāng)然，這些新型材料的研發(fā)成本是巨大的，在完全取代之前，經(jīng)典材料依然不可或缺，但這些新型材料的生產(chǎn)潛力更大，最為關(guān)鍵的就是不受稀有元素的限制，有著近乎無(wú)限發(fā)展的前景。

所以，那些很少聽說(shuō)過(guò)的元素，一般集中在高原子序數(shù)區(qū)域，理化性質(zhì)都不穩(wěn)定性，大概率有毒有放射性，使用和研究屬于管控范圍，同時(shí)，這些元素還受制于極低的含量，開采生產(chǎn)成本極高，獲取不易的制約，對(duì)其研究的程度和動(dòng)力都不高，可以參照一下當(dāng)年居里夫人對(duì)鐳的渴望，從1898年到1902年才從一噸多的瀝青含鈾礦渣中提取出0.1g的氯化鐳，直到1910年，才成功獲取了金屬鐳。研究和探索高原子序數(shù)工作的難度可見一斑，這些是需要國(guó)家甚至全人類的支持和認(rèn)可；綜上，那些新發(fā)現(xiàn)的新元素，就很難對(duì)我們的生活有什么影響了。

參考文獻(xiàn)

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