徐光憲,改變世界稀土格局 他是「中國稀土之父」,攻破稀土分離關鍵技術

最近的網路熱搜詞中有一個名字頻頻出現:徐光憲。他被尊為「中國稀土之父」,在我國成為稀土第一大國的歷程中發揮了不可替代的作用。但仍然很少有人完整知道徐光憲的人生故事,更不瞭解他何以被稱為「中國稀土之父」,不清楚他在哪些關鍵時刻帶領中國稀土走上世界舞臺。帶著這些疑問,《環球人物》記者近日採訪了北京大學和上海交通大學,循著徐光憲走過的來路,尋找答案。

研究的轉向只為國家的需要

在北京大學化學與分子工程學院,一座普普通通的樓房裏,有我國稀土基礎研究和應用研究的重要基地——稀土材料化學與應用國家重點實驗室。這是徐光憲於1989年在國家計委批准下籌建的。

6月6日,《環球人物》記者走進這座樓時,夕陽正斜射進實驗室,年輕的科學家們埋首在各種儀器間,忙碌而從容。43歲的副教授王炳武從工作中抽出身來,和我們談起恩師徐光憲。

「徐先生4年前離開了我們。」王炳武仍然清楚地記得恩師最後的那些日子。2015年4月,95歲的徐光憲在友誼醫院住院,不時有學生到醫院看望。他們中間,有80多歲的老院士,有如王炳武一樣的青年科學家。「我們去醫院陪徐先生時,他要是醒過來認出我們,還忍不住說一些稀土研究方面的問題。」王炳武還記得那些病榻前的陪伴。徐光憲清瘦,有時還費勁地伸出枯瘦的手,想要比劃些什麼。

「他年紀再大,都保持著對前沿理論的敏感。」王炳武懷念老師時,總會想起他對科學事業的追求。徐光憲,這是一個註定要寫在中國稀土發展史上的名字。他提出的串級萃取稀土分離理論,讓中國真正走向了稀土大國。

時間回到1971年,「文化大革命」後期,徐光憲從下放的江西鯉魚洲回到北京大學化學系,從此加入稀土研究行列。這是他學術方向上的一次轉折。儘管早期在美國哥倫比亞大學攻讀博士學位時,徐光憲的研究方向是量子化學,但1951年回國在北大化學系任教後,他只幹了6年就被錢三強點將,抽調出來組建技術物理系,任教研室主任,並開始核燃料萃取的研究。徐光憲曾經回憶:「當時大家都以國家需要為第一,堅決服從組織分配的。」在研究核燃料萃取和講授原子核子物理的工作中,一晃就是十多年。重回化學系,開始研究稀土分離,同樣源於國家需要——當時,稀土元素中的鐠釹分離是世界級的科研難題,因為分離工藝落後,我們只能從國外高價進口,這個難題急需解決。1972年,北京大學接到分離鐠釹的緊急任務,徐光憲挑起重擔。

接下任務時,國際上分離稀土通行的辦法是離子交換法和分級結晶法,但這兩種辦法都存在提取成本高、提取出的稀土元素純度低、無法適應大規模的工業生產的問題。徐光憲決定另闢蹊徑,採用自己在核燃料萃取中研究過多年的老法子——萃取法來進行試驗。

什麼是萃取?打個簡單的比方:油和水互不相溶,如果將一種混合物放在水和油(溶劑)中,只要其中的某一成分比其他成分更易溶於油,那麼在油中所提煉出的這種成分會比其他成分多,也就是說這種成分的純度高了。化學學科中的所謂「萃取」,就是這樣一個過程,只是適用範圍更廣,所使用的溶劑不只是水和油。

說起來容易做起來難。在實際生產中,加什麼溶劑、加多少、這個過程要反復多少次、怎樣將某種元素的萃取過程和其他元素的萃取過程統一協調起來等,都需要逐一解決,加上工業生產中的成本和時間等因素,都是徐光憲需要研究的問題。

當時甚至沒有人相信萃取法可以用在稀土工業生產中。但徐光憲沒有放棄,他無數次地進行試驗,探索能給出料液、萃取劑、洗滌劑的濃度比和流量比關係式的串級萃取理論。今年已經86歲高齡的中科院院士黃春輝,那時也在徐光憲的團隊中參與研究。她曾回憶過:「那時一個流程的研製,少則幾個月,多則一年多,在這些繁瑣的勞動中,不管是搖漏斗還是車間的擴大實驗的三班倒,大到制定實驗方案,小到測定PH值,先生都具體參加,直到現在我還保留著許多大家倒班共同書寫的實驗記錄。」

粉碎把中國變成「海外工廠」的企圖

就在徐光憲不舍晝夜研究稀土分離的串級萃取理論時,我國很多產業發展正因稀土元素而受到限制。

上世紀七八十年代,因為技術落後但又急需應用,我國不得不和國外企業談判購買稀土分離技術。當時,法國的Rhone Poulenc公司是稀土產業巨頭,與我國幾次談判轉讓分離技術時,不僅要價很高,而且提出產品必須由他們獨家對外經銷。這一苛刻條件實際上是要將我國的稀土分離工業變成該公司的海外工廠。

1980年,徐光憲率中科院稀土考察團訪問法國時,被拒絕參觀Rhone Poulenc公司,法國方面還將所有萃取劑和工藝參數定為「絕密」。可以說,每一次談判都激起國內稀土工作者的義憤。

在擁有分離技術前,我國長期只能向國外出口稀土礦原料,然後再進口稀土製品,損失極大。對一個稀土資源大國而言,這種受制於人的局面是必須儘快走出的困境。時任副總理方毅和全國稀土推廣應用領導小組袁寶華多次勉勵稀土科技工作者協作攻破分離難題。

歷史最終選擇了徐光憲。從1972年接下分離鐠釹的任務,僅僅4年時間,1976年10月在包頭舉行的第一次全國稀土萃取會議上,徐光憲就向與會專家講解了串級萃取稀土分離理論,當即引起業界廣泛關注。

此後幾年,徐光憲將這一理論不斷完善,並設計出適用於工業生產的模型。今天已是中科院院士、蘭州大學校長的化學家嚴純華仍然記得當時參與研究的過程。那是1983年到1986年,徐光憲帶領團隊利用串級萃取理論和電腦動態仿真計算建立起專家系統,可以根據我國不同的稀土資源、不同的原料組成以及多種產品純度規格和回收率要求等市場需要變化,在一周內設計出優化的分離工藝流程和參數,並將設計參數直接應用於工業生產。嚴純華就是1983年第一次跟隨老師徐光憲出差包頭,參與這項工作的。

去包頭前,他們搜集了包頭稀土研究所幾十名工程技術人員經過數年艱苦攻關獲得的資料。在那個電腦不甚發達的年代,徐光憲和化學家李標國一同指導嚴純華,將龐大的資料全部類比計算了一遍。這花了他們3個多月的時間。

帶著計算結果,他們來到包頭,在稀土分離工藝中合理降低了化工原材料消耗,提高了工藝穩定性和效益。數年後,嚴純華從徐光憲手中接過接力棒,成為北京大學稀土材料化學及應用國家重點實驗室主任、稀土功能材料基礎研究項目首席科學家。

1984年7月10日,64歲的徐光憲全然不顧年事已高,專程趕到包頭。那個時空下的包頭,將決定我國能否改寫被國外稀土企業扼住脖子的命運。當時,離包鋼有色三廠萃取槽和管道流量計等設備試運行只有5天了,徐光憲堅持親自查看設備和原料,這是根據他提出的原理設計的設備。現場查看後,徐光憲果然發現了問題,充槽液料的濃度是按正常操作時的濃度配比的,但設備初始啟動的充槽條件與正常操作時的條件並不相同。他馬上將情況回饋給包鋼三廠的負責同志,重新調整設置。7月15日,包頭迎來了我國稀土產業發展史上里程碑式的勝利——設備開啟,運轉僅9天就拿到了合格的純釹產品。

他讓中國稀土人足以談笑風生

這次稀土全分離工業試驗的成功,使得我國礦企從此絕不可能成為外國企業的「海外工廠」,也為此後的研究和應用打下了基礎。包鋼的老工程師馬鵬起還記得一次揚眉吐氣的經歷。1988年10月在日本東京舉行第一次中日稀土技術交流會時,日本媒體囂張地稱要堅持三條原則:中國提供原料,日本精製;堅持在需要地點精製;不能向中國提供分離技術。「其實當時我們並不需要日本的分離技術,1988年我們已經形成了自己的分離技術體系。」馬鵬起笑著談及此事。

之所以能形成「自己的分離技術體系」,得益于徐光憲不遺餘力地推廣串級萃取理論。1976年提出這一理論後,全國各地的稀土工作者都要求學習。為了儘快扭轉技術受制的局面,1977年6月,徐光憲組織了一個為期半個月的全國串級萃取理論討論班(後來叫講習班),地點在上海。全國9所大學、11個科研院所和7家工廠的100多名科研人員和一線技術人員齊聚上海,學習新理論。此後這個學習活動每年舉辦一次,培養了大批人才。

很快,全國各地的稀土企業都成功實踐了串級萃取理論,極大地縮短了工作週期,並使工藝參數最優化。一排排貌不驚人的萃取箱像流水線一樣連接起來,只需要在這邊放入原料,在流水線的另一端就會源源不斷地輸出各種高純度稀土元素。過去那種耗時長、產量低、分離係數低、無法連續生產的工藝被徹底拋棄。

從上世紀90年代起,由於我國單一高純稀土大量出口,使國際單一稀土價格下降一半,曾長期壟斷稀土國際市場的一些國外稀土生產商不得不減產、轉產甚至停產。這一現象被國外稱為CHINA IMPACT(中文意為「中國衝擊」),影響十分深遠。那些曾經站在稀土分離工藝頂端傲慢睥睨中國的人突然發現:這個領域的領頭羊已不再是昔日的美國、法國和日本了,而是中國。「這為我們繼續研究贏得了寶貴的時間和機會。」王炳武這樣評價。

晚年為建立國家儲備制度奔走呼告

2009年1月9日,人民大會堂裏燈光璀璨,國家科學技術獎勵大會召開。時任國家主席胡錦濤將2008年度國家最高科學技術獎證書頒給89歲的徐光憲,全場響起經久不息的掌聲。

串級萃取理論將我國稀土分離工藝帶到了世界先進水準,但也正因為這一理論具有極強的實踐性,一旦管理不善,就容易帶來負面效應。北京大學校史研究員郭建榮在採訪徐光憲時,曾聽他痛心疾首地談到過稀土資源的浪費和保護意識的薄弱——

「我們的科研經費是國家給的,科研成果能在國營廠裏應用我們就很高興,根本沒有想要知識產權、專利費等。我們就去推廣,我到上海躍龍廠、珠江冶煉廠、包頭稀土廠等三個國營大廠,住在廠裏,辦學習班。由於我們這個辦法比較好,利潤比較高,結果地方廠、私營廠都想搞,他們就用高薪從國營廠挖走總工程師、技術人員,這樣稀土廠迅速成立了幾十個。年產量達到12萬到15萬噸,全世界的需求量只有10萬噸,結果供大於求。惡性競爭,使稀土價格大幅下降到1985年世界價格的一半。日本、韓國等大量購買我國廉價的高品質單一稀土,享受我們的技術進步得來的豐厚利潤,而我國稀土企業的利潤反而很低。1995年至2005年,每年出口稀土我們損失幾億美元。我就拼命呼籲,希望成立像歐佩克那樣的行業協會,自覺控制產量,提升價格。多次在各種會議上呼籲稀土行業,但沒有得到一致意見。」

「我建議限制在10萬噸以下,但是不成功。我就給溫家寶總理寫信,溫家寶總理批給國土資源部,2006年批准限制為8萬噸,2007年執行。消息傳出日本人就慌了,拼命收購中國的高品質稀土,價格就上升了1到3倍。2008年金融危機,稀土價格下降,另外日本已儲備了20年的稀土,不買了。我們控制世界稀土產量的九成以上,但是我們卻沒有定價權。我呼籲建立稀土資源儲備制度。因為石油、煤炭等能源可以有替代,如太陽能、風力發電、核電等;稀土用完了,沒有替代,我們要為子孫後代著想。」

這並非一時衝動的想法,早在1999年徐光憲為《中國稀土畫報》撰寫的一篇文章中,就已經能看到他的焦慮。他在文章結尾處毫不諱言地指出我國稀土生產中存在的問題,包括價格過低、生產分散、集約化程度低、浪費嚴重等,同時建議生產向集約化轉變,大力發展節能產業,提高產品品質,保護稀土資源,加強行業和外貿出口管理。2001年教師節,時任國務院副總理李嵐清前去看望徐光憲時,他就將這些想法向李嵐清彙報。

王炳武還記得,老師年屆八旬時曾親赴包頭調研,兩次寫信給溫家寶總理,一次是呼籲建立稀土國家儲備制度,一次是呼籲妥善保護礦產資源、防治污染。

上海交大有一條「光憲路」

在上海交通大學的校園裏,有一條路叫「光憲路」,這是為了紀念校友徐光憲。

1920年,徐光憲出生於浙江紹興上虞的一個中產階級家庭。徐家與人合夥開布店,家境殷實。然而,好景不長,徐光憲幼時,布店就因二哥賭博欠債而被迫關閉還款,父親也備受打擊而病故,家道從此中落。那次變故後,母親常教導徐光憲和其他兄弟:「家有良田千頃,不如一技在身。」要他們用功讀書,學習技術,不要依賴家庭。

「這對我的一生影響深遠。」徐光憲曾在自敍中這樣感慨,他從小讀書認真就是源于母親的教導,「每天上學必定要第一個到校,一早站在校門口等著學校開門。」

高中時,為了早日就業,徐光憲轉學到杭州的浙江大學附屬高級工業職業學校讀土木科。但僅僅一年後,杭州就淪陷在侵華日軍的鐵蹄下,徐光憲不得不隨校轉到寧波高等工業學校。這段輾轉的求學經歷,淬煉出一顆火熱的愛國心。1939年畢業後,徐光憲投奔在上海教書的大哥,謀了份南洋煤球廠的工作。

當時,有「東方康奈爾」之稱的國立交通大學在上海法租界內借震旦大學教室上課。徐光憲有數學天賦,曾在浙江省青少年數學考試中得過第二名,因此很希望考上數理教學有口皆碑的交大。他知道交大課程重、考核嚴,於是找來很多習題練習。在南洋煤球廠工作的那一年,他把霍爾和奈特著的《大代數》、史密斯和蓋爾著的《解析幾何學》的全部習題都做完了,1940年順利考上交大化學系,在四年學習中成績始終名列第一。徐光憲似乎做題做上了癮。畢業一年後的1945年,抗戰勝利,時局稍穩,他被聘到交大當助教,又抽空做完了諾伊斯所著的《化學原理》的全部498道習題。這本習題集的複印本,徐光憲在2009年捐贈給了母校,上面是密密麻麻的各類公式和計算。

交大的四年不僅為徐光憲打下了學習基礎,更促成他日後回國的決心。在2009年回上海交大作報告時,徐光憲談到了1951年從美國哥倫比亞大學獲得博士學位後回國的心路歷程:「促使我和高小霞(徐光憲夫人)回國的第一個原因,是因為受到1946年到1947年交大進步學生蓬勃開展學生運動的影響。」那正是他與同學高小霞新婚不久、在交大擔任助教期間。當時,徐光憲已經決定赴美留學,通過了1946年的全國留學生考試。他先借錢去了美國華盛頓大學學化工,半年後去哥倫比亞大學暑期班試讀,選的兩門課考試均得滿分,因此轉到哥倫比亞大學攻讀博士學位,主修量子化學,並被聘任為助教。高小霞也到了紐約大學攻讀學位。「我那時沒有參加學生運動,但我想中國革命成功了,要建設新中國,我們決心學一點科學技術回國。」

1949年10月,當毛澤東主席在天安門宣告「中華人民共和國中央人民政府成立了」的消息傳到美國,徐光憲和朋友們難掩激動,做了一塊「勝利酒家」的牌子,帶到中央公園野餐慶祝。這些人都是日後回國參加新中國建設的知名學者。

1951年,徐光憲獲得了哥倫比亞大學博士學位。在哥大,他迎來了自己學術生涯的第一個高峰。1949年2月,他當選為美國菲拉姆達阿珀西龍榮譽化學會會員,接受一枚象徵開啟科學大門的金鑰匙;1950年10月,當選為美國榮譽科學會會員,再次接受一枚金鑰匙。畢業之後,他可以留在哥倫比亞大學做講師,也可以被舉薦到芝加哥大學做博士後。擺在徐光憲面前的,是一片錦繡前程,但他毅然決定回國。

「第一是交大學生運動的影響,第二是錢學森學長的影響。」徐光憲對錢學森有很深的感情,「我們在念書的時候,他已經是加州理工學院噴氣推進中心主任,實際上是航太航空導彈技術的第一把手,但是他決心要回來報效祖國。」當時,抗美援朝已經開始,錢學森回國受到百般阻撓。美國提出法案,要求全體留美學生加入美籍,不准回國。這項法案一旦通過,徐光憲和高小霞可能就再也回不到祖國了。

這時也是高小霞攻讀博士學位的最後階段,她思慮再三,對徐光憲說:「科學沒有國界,但科學家有祖國。」她決定放棄博士學位,和徐光憲一起回國。1951年4月,他們假借華僑歸國省親之名,登上輪船,帶著建設新中國的願望踏上歸途。

為稀土研究留下人才富礦

回到祖國的徐光憲,從始至終都是一位老師。季羨林曾在徐光憲從教55周年時提筆慶賀:「桃李滿天下,師德傳四方。」對中國稀土事業而言,徐光憲身後,留下了一大批人才。

王炳武還記得1998年在北大後湖旁的朗潤園初見徐光憲的情景。「家裏佈置得很簡單,只有幾個大書櫃,兩把椅子。徐先生高高瘦瘦,沒有一點架子,和我談了一下午的研究方向。」那時,徐光憲已經78歲,但身體健朗,仍然經常去礦山調研,每日裏做研究到深夜。他收下這名年輕的弟子,常常在學術討論中度過一個下午的時光,讓王炳武深深折服于先生的風度。如今,王炳武在稀土的分子磁性研究領域已經頗有建樹。

在徐光憲的學生中,有好幾位已經是中科院院士。今年84歲的北大教授黎樂民就是其中一位。半個世紀過去了,他還記得1969年北大技術物理系遷往漢中分校時的一件小事。那年冬天的一次小組討論會上,徐光憲提出搬遷中要採取特別措施,以保證儀器設備完好無損。「先生很細緻,除了大型儀器外,提到實驗室用的小設備小器皿也要保護好,以便到了漢中可以很快開展科研工作。」

山西大學教授楊頻則對1973年從徐光憲那裏獲贈的一組論文抽印本感念至今。那一年,楊頻途經北京,前去拜訪徐光憲,想聽一聽他對自己此前寄去的一束文稿的意見。沒想到,徐光憲還贈給他一組論文抽印本。要知道,當時國內所有科學雜誌都已停刊多年,尚未復刊,國外雜誌更是難覓蹤跡。這些論文資料十分難得。楊頻回去後將這些論文仔細裝訂,不時翻閱。1976年他提出一個新模型,就是基於那本論文集的啟發。

春風化雨,潤物無聲。徐光憲留給中國稀土的,還有一方人才的富礦。

(張丹丹/文)