“妖镍”，快跟我回地球！

2022-03-16 15:42:36 来源：科普中国

上周，受到当前俄乌紧张局势的影响，国际金融市场发生了一件“史诗级逼空”事件。一种相对小众的金属“镍”在伦敦金属交易所的价格两个交易日累计大涨250 %，刷新了历史记录。这次金融热点事件被许多媒体戏称为“妖镍”行情。下面，就让我们一起跨越百亿年的宇宙洪荒，去探秘“妖镍”的前世今生。

01“妖镍”之名，与生俱来

镍（Ni），元素周期表第28号元素，银白色金属，熔点1453 °C，沸点2732 °C，因原子结构和化学性质相似，与铁（Fe）、钴（Co）合称“铁族元素”。

金属镍 | 图源：网络

17世纪时，德国的铜矿商一直试图从一种表面有绿色涂层的暗红色矿石中提炼铜，但没有成功。无奈之下，他们将其命名为“kupfernickel”，意为“妖精的铜”。1751年，瑞典矿物学家和化学家阿克塞尔•弗雷德里克•克龙斯泰特（Axel Fredrik Cronstedt）最早从该矿石中分离出金属镍，并采用德国矿工传说中淘气妖精之名将其命名为Nickel（与英语中魔鬼的别称“Old Nick”相近）。

红砷镍矿石（Kupfernickel） | 图源：网络

值得一提的是，镍的近亲——钴是克龙斯泰特的老师瑞典化学家乔治•布兰特从辉钴矿（硫砷化钴）中发现和命名的；而Cobalt（钴）这个名字来源于德语“kobold”，是“小妖精”之意。因为含镍和钴的矿石往往也含有砷（As）元素，在冶炼过程中会释放出剧毒的三氧化二砷（砒霜），严重威胁工人的健康，所以从这个意义上讲，无论是“妖镍”，还是 “魔钴”，都可谓“名副其实”了！

02哪里来的“妖镍”？

让我们回到138亿年前的宇宙诞生之初，看看组成这缤纷世界的元素是如何产生的。根据宇宙起源的大爆炸理论，在大爆炸发生的数百秒内，质子和中子合成了氢、氦和极少量锂。1957年，Burbidge夫妇、Fowler 和Hoyle发表了著名的B2FH理论，认为其他元素是在大爆炸产生的原初氢和氦的基础上，由恒星燃烧、慢速中子俘获（s过程）、快速中子俘获（r过程）等一系列过程合成的。在大质量恒星内部，轻的元素不断聚变，从外向内依次发生氢、氦、碳、氖、氧、硅的燃烧，直至形成一个铁镍的核；而原子序数更大的元素则可能形成于超新星爆发、双中子星合并等事件。

红巨星内部的核反应和圈层结构示意图 | 图源：网络

虽然科学家们还在不断地改进、拓展和完善B2FH理论，可以确定的是组成我们太阳系的绝大部分元素都是历经多次的星体演化，逐步合成的。

太阳系元素的起源。镍起源于白矮星爆发以及大质量恒星内部的核合成过程。 | 图源：SDSS.org

03“妖镍大本营”

由于CI群碳质球粒陨石的化学成分（少数挥发性元素除外）与太阳光球层非常接近，因而常用来近似地代表整个太阳系的平均成分。据此推算，太阳系的平均镍含量约为1.1 wt%；而地壳的平均镍含量仅为80 ppm，不足太阳系平均含量的百分之一。那么，“妖镍”都去哪儿了？

探索这个问题需要我们回到46亿年前太阳系新生之时，去了解行星的熔融分异。这是指在行星的形成过程中，由于放射性核素衰变产生的热能导致其组成物质发生熔融；因为金属和硅酸盐熔体的不混溶，密度较大的铁镍金属“下沉”形成金属核，而较轻的硅酸盐部分则“上浮”并演化为壳和幔的结构。显然，地核是地球上的“妖镍大本营”，地球的绝大部分镍元素都在地核内。

类地行星的核-幔-壳结构示意图 | 图源：修改自网络

在距离地球数百万英里处，位于火星和木星之间的小行星带聚集了上百万颗小行星，其中大量的金属质小行星是除大行星内核外，太阳系的另一个“妖镍大本营”。铁陨石是来自金属质小行星的样品，其镍含量可高达5 wt%—17 wt%以上。铁陨石主要由铁镍金属及其硫化物、磷化物等组成，在酸的腐蚀作用下常呈现特征的维氏台登结构。由于铁镍合金具有良好的耐腐蚀性和延展性，数千年前的古人就开始利用陨铁打造兵器和劳动工具等。

Carbo铁陨石的维氏台登结构 | 图源：修改自Meteorites & the Early Solar System II

04 抓住那个“妖镍”！

镍是一种重要的工业金属，在钢铁、机械、建筑和化工等行业需求量巨大，而地壳中镍的储量有限，且镍矿的开采对地球生态环境造成了许多负面影响。为了保护地球的自然资源和环境，人们开始将视线转向太空资源的开发和利用。美国国家宇航局NASA计划探测一颗直径约200千米、由铁镍金属和铂、金等贵金属组成的小行星16 Pysche（灵神星）。据估计这颗小行星价值超10000万亿美元，即使让80亿地球人平分，也能使每个人都成为“百万富翁”。

小行星16 Psyche探测假想图 | 图源：NASA

近十多年来，已有数十家国内外公司致力于小行星采矿技术的研究和开发。虽然目前技术上还不成熟，但随着人类社会的发展，对太空资源的开发利用将是大势所趋。我们不妨大胆地想象一下，未来的太空采矿机器人在小行星带自如地巡游，发现富铁镍的目标小行星后，一把将其抓住，“妖镍，快随我回地球！”。相信在不久的将来，这样的想象一定会成为现实！

太空采矿假想图 | 图源：DeepSpaceIndustries

作者简介：王英，中国科学院紫金山天文台天体化学和行星科学实验室副研究员，研究领域：陨石学和天体化学。

（本文首发于微信公众号“上海天文馆”）

轮值主编：苏杨

编辑：王科超

关键词：天体化学中子俘获小行星带