「稀土戰爭」的起點：七種元素因這個村莊而被發現！

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

F 編按：本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年，都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」（Periodic Table），雖然唸起來像咒文，但有了它之後便能夠快速查詢原子序（proton number）、價電子（valence electrons）數量，以及元素可能的化學性質，成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是，元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史，化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理，才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

週期表之父：門得列夫的突破

19 世紀中葉，已知的化學元素約有 63 種，許多化學家嘗試找出元素間的共同點，卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」，或利用價電子概念將一些元素歸類，但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時，因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上，再一一比對它們的原子量（類似當今的原子量或原子序概念）與化學性質。

確切的靈光乍現時刻，如今已無從完全重現，但我們知道門得列夫最後觀察到：「如果按照原子量（或後來的原子序）由小到大排列，某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看，元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是，在 1869 年，他將研究結果發表，提出了第一版週期表的雛形，更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」（後來證實即鎵 gallium）及其他四種元素的性質。

讀懂週期表：原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊，關鍵在於三個核心欄位：

1. 原子序（Atomic Number）
   代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子，就必定是碳（C），無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增，貫穿整張表格。
2. 元素符號（Atomic Symbol）
   多為一至兩字母縮寫，如碳（C）、氫（H）、氧（O）。但也有如鎢（W，因「Wolfram」得名）或金（Au，取自拉丁文「Aurum」）等較不直覺的符號。
3. 原子量（Atomic Mass）
   表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值，故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量，但由於這些元素壽命極短，數值往往會被不斷修正。

舉例來說，硒（Se）在週期表中顯示原子序 34，屬於第 4 週期、第 6A 族，表示它有四層電子軌域，其中最外層（價電子層）有 6 顆電子。有了這些資訊，科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物，乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構：週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素，現代則依靠原子序（即質子數）來分類。橫向稱為「週期」（Period），從第 1 週期到第 7 週期；縱向稱為「族」（Group），目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層；而同一族則代表外層價電子數相同，故有相似化學性質。

例如，第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」，如氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬（Alkali Metals），如鋰（Li）、鈉（Na）等，因外層只有 1 顆電子，極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子，故與水猛烈反應。

此外，在表格中央有一塊「過渡元素」（Transition Metals）區域，包括鐵（Fe）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）等。它們具有部分填充的 d 軌域，使得該區域的元素呈現多樣性質，例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等，被廣泛應用於工業及工程領域。

再進化：從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時，已知元素只有 63 種，表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵（Ga）以及日後證實的日耳曼ium（Ge）等新元素性質，贏得舉世矚目。隨後，有越來越多元素透過科學發展，尤其是光譜分析與放射性研究而被發現，例如鐳（Ra）和氡（Rn）等。

到 20 世紀後期，隨著粒子加速器的誕生，人類可以合成更重的超鈾元素（Atomic Number > 92）。這些人工合成元素往往極度不穩定，壽命僅能以毫秒或微秒計，但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今，週期表已收錄到第 118 號元素「鿆（Og，Oganesson）」，但科學家預測或許還能繼續向上延伸；只要能合成更重、更穩定的原子核，我們就能拓展週期表的新邊境。

一般認為，隨原子序遞增，原子核內部的質子數目激增，原子愈趨不穩，往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而，一些理論物理學家提出「島狀穩定性」（Island of Stability）的概念：也許在某特定質子與中子數量組合下，能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列，仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是，週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場，也見證了人類探索未知的無盡熱情。

• 本文授權轉載自領研公眾號
• 编译/谢汝雨 杨心舟@环球科学

今年是元素週期表誕生 150 周年，已經有 118 種元素在這張表上找到了屬於自己的位置。在第 Ⅲ 族副族裡，有一群特殊的元素，它們又被稱作稀土元素，是當今各種高科技領域是必不可少的金屬元素。而其中 7 種元素都因一座村莊而發現，4 種都以村莊的名字命名。

一座因元素出名的村莊

離斯德哥爾摩不遠的 Resarö 島上，有一個叫做伊特比（Ytterby）的村莊，它是化學史上有舉足輕重的地位。在化學家中，都存在一種對該村莊的誇張描述：

元素週期表可以分為兩部分，一部分叫 Ytterby 元素，另一部分叫其他元素。

儘管伊特比只是一個小村莊，其對元素週期表的貢獻非常大，世界其他地方能發現 2 個元素的都屈指可數，但在伊特比就直接產出並根據 Ytterby 命名了4種，而還有 3 種也是因該地的一塊礦石才得以被發現，也就是說這塊土地讓元素週期表上拓展了 7 種元素。

當然要在一個地方同時發現如此多的元素，和元素的性質有很大關係。伊特比區域發現的這些元素都屬於稀土金屬，稀土金屬有一個很大的特點，就是其是由許多元素混合在一起組成的，當你獲得一塊天然的稀土金屬，基本上就獲得了幾種不同的元素。而伊特比就是這麼一個地方，富含稀土礦藏。根據考古學家推測，在上一個冰川期結束時，冰川消融帶走了該區域大部分表層土壤，因此這些底層的稀土礦藏就暴露出來，很容易被開發。

最初，伊特比並不是為了採集稀土資源而存在的，其礦場僅僅只是用來尋找一種叫做長石的礦物。長石是用來製作陶瓷的重要原料，馬可波羅於14世紀初期將陶瓷引進至歐洲後，歐洲人開始瘋狂地愛上了這種實用且高效的舶來品。幾百年來這裡的礦工都會從挖出的礦藏中選出長石，其他的就當做廢棄物直接倒掉，直到1787年，Seva炮兵團中尉卡爾．阿克塞爾．阿倫尼烏斯（Carl Axel Arrhenius）注意到了長石採礦場中一塊棄置的黑色礦物碎片，他將其送給了化學家朋友約翰．加多林（Johan Gadolin）進行分析。後來，這塊碎片成了意義非凡的礦石：人們從此開始對稀土元素展開了長久的探索。

一塊改變元素史的礦石

卡爾本身的工作其實和礦石沒太大關係，但事情很奇妙，他在瑞典皇家鑄幣廠工作時認識了研究礦石的化學家Peter Jacob Hjelm，卡爾也耳濡目染地對化學和礦物產生了興趣。因此當他在礦場發現這塊從未見過的黑色礦石後，直覺告訴他這塊礦石並不普通，他將其以發現地伊特比村為名，叫做「ytterbite」石塊（現已知為矽鈹釔礦），並送給了加多林檢驗。

收到樣品的加多林經過認真分析，發現樣品中約有 38% 為某種金屬氧化物，他將該氧化物命名為「yttria」。這一刻開始，稀土金屬中的元素開始逐漸浮現在了元素週期表中。為了直觀地展示村莊名 Ytterby 是如何變成元素名的，我們可以看下最先發現的 4 種稀土元素的名稱，它們分別是yttrium（釔），terbium（鋱），erbium（鉺），ytterbium（鐿），幾乎都是選取了村莊名的部分。

之後加多林多次對礦石進行了分析，他最終確定這塊礦石的氧化物成分為氧化釔（Y₂O₃），這也是最早被發現的稀土金屬化合物，加多林在 1794 年發表了這項結果。然而，Y₂O₃還不是元素，直到 1828 年，Friedrich Wöhler 通過鉀還原氯化釔得到了釔元素。元素週期表上 39 號位元的釔元素，終於安頓下來了。

從 1787 年這塊礦石被發現，到釔元素聞名於世經歷了兩百年。1987 年高溫超導體誕生，它在極低的溫度（-180℃）下也具有強磁性，這個溫度對於常規超導體來說已經很高了，因此它也被應用於精密的核磁共振的設備中。而這種高溫超導體就用到了釔元素（實際為釔鋇銅氧化物），至此釔的商用價值也被逐漸開發出來。

一連串稀土元素

因為稀土元素同屬於第Ⅲ副族，它們的原子結構很相似，而其中的 15 種鑭系元素的最外層電子軌道完全一樣，區別僅在於次外層電子。這些相似的電子排布會讓這些金屬的化學性質很相似，幾種稀土元素經常紮堆出現，很難進行分離。因此，當年從伊特比村裡發現的矽鈹釔礦中提取的釔並不純粹，還含有其他稀土元素。

1843年的時候，卡爾·古斯塔夫·莫桑德爾（Carl Gustaf Mosander）分析了礦石中的Y₂O₃成分，他發現礦石並不是只由氧化釔構成的，其還含有氧化鉺（Er₂O₃）和氧化鋱（Te₂O₃），他將這些氧化物依次用伊特比村莊命名為 yttria、erbia 和 terbia，相對應的，3 種金屬的名稱就是 yttrium（釔），erbium（鉺），terbium（鋱）。

鉺和鋱都是從矽鈹釔礦中分離出來的，但它們的顏色並不一樣，釔呈現出白色，鉺呈現出粉紅色，鋱則呈現出黃色，因此從顏色上就能很好地區分這三種元素，如果你買到了一些粉色或者玫瑰色的玻璃狀物體，裡面很可能就含有鉺。如今，鉺被用在一些皮膚科或牙科中使用的鉺鐳射機器中，因為其不會穿透人體，可以針對性地治療皮膚和牙齒疾病。而鋱經過硫酸化後，能夠產生黃綠色的螢光，因此被應用于顯示幕發光系統中。

1878 年，瑞士化學家馬利克納（J.C.G.Marignac）從鉺中分離出一種新元素，他同樣以伊特比為該元素起名為 ytterbium（鐿），鐿元素最出名的是其被應用在了原子鐘中。隨後在 1879 年，瑞典化學家尼爾森（L.F.Nilson）採用馬利克納的方法從鉺中分離鐿，並分別測量兩種元素的原子量。結果尼爾森測的鐿原子量卻比馬利克納測得的輕，他認為這是鐿中混有其他原子量較小的元素造成的。尼爾森繼續分離鐿，發現了鈧，克裡夫從鉺中分離出鈥和銩。至此，從卡爾中尉拿到這塊黑礦石，到元素全部解析出來，歷經了近百年。

在伊特比發現的七種元素不僅僅是元素週期表上的珍寶，更是構成先進技術的基礎：釔的導電電阻幾乎為零，構成了高溫超導體的一部分；鋱用於風力發電機的儲能；鉺摻雜的光纖放大器能補償通訊系統中的光損耗，稀土金屬在這些高科技領域的優良表現使得其成為了控制世界經濟走向的一大因素。正是由於其稀缺性及不可替代性，稀土元素也成為各國長期博弈的焦點。

而如今，伊特比礦區已經成為了高級住宅區，昂貴的房子矗立在以自然元素命名的街道上，原先的礦入口貼著 ASM International society頒發的紀念牌，這片相繼發現了七種稀土元素，並命名了其中四種元素的沃土已逐漸變換了模樣。

參考來源

• Д.Н.特立豐諾夫,В.Д. 特立豐諾夫.化學元素發現簡史[M]北京：科學技術文獻出版社,1986：133-139
• https：//www.newscientist.com/article/2194112-the-village-where-more-elements-were-discovered-than-anywhere-else/
• http：//www.slate.com/articles/health_and_science/elements/features/2010/blogging_the_periodic_table/ytterby_the_tiny_swedish_island_that_gave_the_periodic_table_four_different_elements.html
• https：//en.wikipedia.org/wiki/Ytterby
• https：//blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2016/10/15/the-ytterby-elements/

本文授權轉載自領研公眾號，原文標題：一座改变化学史的村庄：7种元素从这里诞生，它是“稀土战争”的最初起点

被誤認的「賢者之石」

與人體細胞、骨骼、生命活動密切相關的腺苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）中的磷，是很重要的元素。磷的發現過程其實有點讓人不忍想像，古時候鍊金術師待人類尿液久置後腐臭，再加熱蒸餾提煉出磷，一開始磷被認為是為提煉黃金時所需的「賢者之石」。

我們在日常生活中使用到磷的是火柴，可是現今看到的火柴頂端的火藥裡並沒有磷，而是把磷移到火柴盒的摩擦面了。原理是摩擦火柴棒，讓火柴盒產生火花，藉此點燃火柴棒頂端的火藥，進而產生火光。

磷有很多同伴，組成成分明明只有磷，但外觀和特性卻截然不同，有紫磷、白磷、黑磷、赤磷、紅磷，或是白磷表面覆蓋紅磷的黃磷等。火柴盒上使用的是紅磷，而在西部電影中等常出現，隨時隨地都可以點燃的火柴則是黃磷。

小女孩賣的火柴裡也有磷

安徒生童話「賣火柴的小女孩」誕生於十九世紀中葉，當時火柴剛問世不久，跟現代的火柴截然不同。小女孩賣的火柴是黃磷火柴，火柴棒較長，造價也高，通常是論根賣的。黃磷或白磷是一種具有劇毒的化學品，由於工廠屢屢傳出磷中毒的事件，現在已經禁止使用。

【常溫狀態】固體 【原子量】30.973762

【熔點】44.15˚C 【沸點】280.5˚C

【密度】1.82 g/cm3

【發現】1669 年，德國煉金術師布蘭德（Henning Brand ）

【語源】希臘文 phosphoros，意思是帶來光明的。

——本文摘自《原子有話要說！元素週期表》，2023 年 4 月，漫遊者文化出版，未經同意請勿轉載。