[科普中國]-全球各地“氦荒”頻發(fā)，這種神奇的物質(zhì)為何不可或缺？

近期，全球氦資源嚴峻的供應(yīng)形勢引起了各國媒體的集中關(guān)注。特別是液氦嚴重依賴進口，且使用量又極大的日本，更是陷入了空前的“氦危機”。利用液氦進行相關(guān)科學(xué)研究的機構(gòu)受到的沖擊最大，甚至日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）都宣布由于不能確保探空氣球所用的足量氦，相關(guān)實驗計劃將不得不變更乃至中止。那么，氦到底是一種怎樣的物質(zhì)？我們可以從什么途徑獲得氦？液氦對于工業(yè)界和科研界有什么重要意義？人類又將如何面對未來的氦資源短缺？這篇文章將為大家介紹有關(guān)氦的方方面面。氦的發(fā)現(xiàn)和命名19世紀60年代，人類已初步掌握了通過對來自天體的光譜進行分析以獲知天體中所含元素的技術(shù)。早期，科學(xué)家們主要利用這項技術(shù)研究太陽中的元素成分，英國科學(xué)家諾曼?洛克耶就是其中之一。1868年，他在進行日食觀測的同時，發(fā)現(xiàn)太陽光譜中含有一條未知的譜線，從而推定這是一種全新的元素。他以希臘語中表示太陽的單詞helios作為語源，將這種元素命名為Helium。最初，諾曼?洛克耶認為這種元素會是一種金屬元素，因此用代表金屬的后綴-ium對其進行命名。實際上，與氦同族的稀有氣體全部都以-on結(jié)尾，例如氬（Argon）、氖（Neon）、氪（Krypton）以及氙（Xenon）等。雖然一直有聲音希望將氦的英文拼寫改為與同族元素類似的Helion，但直到今日，英文中仍然沿用著氦最初的名稱Helium。除了最早發(fā)現(xiàn)并命名氦，諾曼?洛克耶對太陽黑子的研究也處于同時代學(xué)者的前列。此外，他還創(chuàng)辦了一本致力于報道前沿科技進展的周刊，這本雜志叫做《自然》。今天，人們已經(jīng)知道宇宙中存在著大量的氦，總量約占到宇宙元素總質(zhì)量的四分之一，大部分氦產(chǎn)生于宇宙大爆炸的過程。同時，恒星進行的熱核反應(yīng)也在不斷地將氫元素合成為氦元素。雖然在19世紀末期，人類就已經(jīng)證實地球上也存在氦元素，但是氦在地球上的含量極為稀少?？諝庵械暮ぴ睾恐挥邪偃f分之五，地殼中也僅僅只有某些含有放射性元素的礦物中存在微量的氦。氦：集合眾多奇妙性質(zhì)于一身氦屬于周期表中的VIII族，同族元素皆為稀有氣體，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，幾乎不與其它元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特點。氦的氣體形態(tài)——氦氣，是一種無色無味無臭且無刺激性的氣體，密度大約只有空氣的七分之一，幾乎不溶于水。惰性和極輕的特點，讓氦取代極度易燃易爆的氫成為氣球和飛艇的首選填充氣體。不過由于氦氣單個分子（其實是氦原子）的體積極小，氦氣球在一定時間后會發(fā)生萎縮的可能，并非是因為充氣口沒有扎緊，而是氦氣分子會逐漸從氣球橡膠皮的縫隙中散失到外部。其原子體積小、易于泄漏的特點也讓氦氣成為進行管路密封性精密檢查的可靠手段之一。液體形態(tài)的氦即為液氦，是一種無色透明的液體，密度大約是水的八分之一。液氦沸點約為零下269攝氏度（4 K），是所有元素中最低的。在其它元素都會固化的絕對零度（零下273.15攝氏度，0 K）附近，如果維持常壓，氦仍然會保持液體形態(tài)，加壓后才能形成固體。液氦極低的沸點令其成為了人類手中最強大的冷卻劑。1911年，荷蘭物理學(xué)家卡麥林·昂納斯在利用液氦研究低溫下金屬性質(zhì)時意外發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象（指材料在低于某一溫度時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，其特征是零電阻性和完全抗磁性）。此后，超導(dǎo)在人類前沿科技領(lǐng)域中的地位不斷得到加強。如今，人們在很多時候仍然需要用液氦超低溫的特性來冷卻超導(dǎo)磁鐵，以使之維持超導(dǎo)狀態(tài)，進行超導(dǎo)實驗。氦，居然是一種來自地下的礦藏？理論上來說，盡管空氣中氦的含量十分微?。s百萬分之五），但總量龐大的空氣中卻擁有幾乎無盡的氦。然而，工業(yè)生產(chǎn)中所用到的氦卻并非來自于分離提純空氣。此外，由于本身結(jié)構(gòu)極為簡單，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氦氣也無法通過化學(xué)反應(yīng)方法得以制備。那么，人類所用的氦到底從何而來？答案是地下！從某種程度上來說，氦是一種礦藏。不穩(wěn)定重元素發(fā)生衰變時經(jīng)常會釋放出的氦，而地下的巖石中就存在有一定數(shù)量的鈾和钚等放射性元素，它們在漫長的地質(zhì)年代里不斷發(fā)生衰變，同時向周圍的地層中不斷釋放氦。這些氦在逐漸向地表淺層擴散的過程中，如果遇到較為密實且地殼變動較少的巖層，擴散就會遭到阻礙，并在這些巖層下方逐漸積存。類似的地質(zhì)條件同樣會有利于天然氣的積存，最終形成天然氣田。因此，氦其實是一種天然氣采集過程中的副產(chǎn)物。世界各地的天然氣田中都存在著或多或少的氦成分，一般來說，氣田中氦含量超過0.3%就已經(jīng)可以進行商業(yè)開采了，而目前世界上發(fā)現(xiàn)的不少富氦氣田中氦含量甚至達到了5～10%。決定氣田中氦含量的主要是地層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，畢竟對于氦這種極易泄漏的氣體而言，規(guī)模輕微的地質(zhì)運動都可能會加速它們的散逸。因此，世界上絕大多數(shù)富氦氣田都存在于地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的大陸內(nèi)部。美國、俄羅斯、加拿大和波蘭都屬于這種情況。而阿爾及利亞和卡塔爾雖然并非內(nèi)陸，但由于本身擁有的天然氣儲量較大，也具有一定的氦生產(chǎn)能力。以上六國加上法國和澳大利亞，幾乎占據(jù)了全球99%的氦資源供給量，其中美國更是常年保持在70%以上。氦到底有什么用途？在工業(yè)上，氦的氣體形態(tài)——氦氣，主要用于光纖（光導(dǎo)玻璃纖維）的生產(chǎn)和半導(dǎo)體晶圓制備過程中的強制冷卻乃至清洗。這兩項應(yīng)用就占據(jù)了氦氣用途的近百分之五十。氦氣極低的反應(yīng)活性可以令其在光纖的拉制過程中充當(dāng)保護氣氛。而半導(dǎo)體晶圓制備時的強制冷卻同時，還利用了氦的顯熱遠高于潛熱這一特殊性質(zhì)。我們將液體變?yōu)闅怏w時從環(huán)境中吸收的熱量稱為潛熱（汽化熱），而將汽化剛完成的氣體溫度升高到室溫的過程中從環(huán)境中吸收的熱量稱為顯熱。氦氣從4K的沸點升溫到常溫過程中的顯熱，是液氦變?yōu)闅怏w時潛熱的七十倍。這意味著即便是低溫的氦氣，也有非常強大的冷卻能力。除此之外，氦氣在精密焊接保護、氣球飛艇灌注、滲漏檢測等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。氦的液體形態(tài)——液氦，則主要作為超導(dǎo)磁鐵的冷卻劑。醫(yī)院中常見的核磁共振儀（MRI）需要利用大型超導(dǎo)磁鐵來發(fā)揮功用，因此80%的液氦都被用于該場合。除此之外，研究機構(gòu)中用到的核磁共振分析設(shè)備以及其它一些有關(guān)超導(dǎo)、超流的低溫工學(xué)研究也必須使用液氦。進入新千年以來，由于新興國家MRI采購量的暴漲，全球氦需求量劇增。在2014年，新興國家的氦年需求量就達到了每年0.6億立方米，占據(jù)了全球消費市場三分之一以上的份額。另一方面，擁有全球最大氦資源儲量的美國也出于各種目的不斷收緊氦的生產(chǎn)和出口，全球氦供應(yīng)情況因此而日益緊張。氦資源緊缺時代——人類將如何應(yīng)對？醫(yī)療和產(chǎn)業(yè)用氦肯定需要首先得到保證，而研究和娛樂用途就不得不承受斷供之苦了。東京迪士尼樂園早在2012年年底就宣布不再銷售氦氣球。正常研究受到極大沖擊的東京大學(xué)也已經(jīng)在校內(nèi)各大低溫實驗室搭建了相應(yīng)的氦回收裝置，目前氦資源的重復(fù)利用率已經(jīng)達到了90%。另一方面，核磁共振儀設(shè)備廠商也在不斷嘗試利用新技術(shù)來減少對液氦的依賴。部分最新開發(fā)的小型設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了不依賴液氦進行冷卻。當(dāng)然，終極的目標(biāo)必然是開發(fā)超導(dǎo)臨界溫度更高的超導(dǎo)磁鐵材料，一旦磁體的超導(dǎo)臨界溫度提高，在很多場合下就可以用沸點更高（零下196攝氏度）、來源更廣（空氣接近80%的成分是氮氣）、制取更方便的液氮來代替液氦，我們自然就可以擺脫對液氦的依賴了。作者 | 【中】張昊 日本大阪大學(xué)審稿 | 薛元彬 河南安陽工學(xué)院講師編輯 | 王波文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團隊推出轉(zhuǎn)載請注明來自科普中國