2009年1月9日，中国科学院院士徐光宪凭借他在稀土化学研究方面取得的突出成就，获得了国家最高科学技术奖。这无论是对徐光宪本人，还是对于他所在的北京大学，都是一件大事。他的学生—北京大学的黄春辉院士认为这个奖之所以颁给徐先生是在“奖励他的人品，奖励他的学问、他的为人、他的贡献”。
报得三春晖
徐光宪1920年出生于浙江省绍兴县。1944年毕业于上海交通大学化学系。1948年赴美留学，1951年获美国哥伦比亚大学博士学位。同年，徐光宪夫妇以华侨探亲的名义获得签证，登上了“戈登将军号”邮轮。这是后来“禁止中国留美学生归国”法案正式生效前，驶往中国的倒数第3艘邮轮。
刚刚回国的徐光宪在北京大学化学系教授高年级的“物质结构”。学生们对这位年轻的归国学者是十分崇敬的。“那时和徐先生的接触并不多，印象中徐先生很平易近人。”黄春辉这样回忆：“当时徐先生很年轻，才三十多岁。从国外回来，生活条件和研究条件国内外都相差很多。徐先生是学理论化学的，当时国外已经有穿孔卡的计算机了，而我们却什么都没有。”
在研究和教学工作中，徐光宪提倡建立创新思维，他认为科学研究要“无中生有，有中生新”，在战略上要有突破现有理论和传统概念的雄心壮志。但在战术上，要踏踏实实地先从事在现有理论和知识框架下的创新。他在1959年出版了《物质结构》，这本书在长达1/4个世纪内，是全国物质结构方面的惟一教材。他在再版中又提出共价新概念及量子化学定义。该书共发行二十余万册，1988年获国家优秀教材特等奖，迄今，全国化学类图书只有这一个特等奖。
黄春辉告诉记者：“徐先生提倡分类，注意分类。过去查文献的时候，总是把摘要抄在卡片上，再将这些卡片分类存放。这样的卡片徐先生有几箱子。他擅长寻找规律，也提倡在每一个小的范围内寻找规律。”在北大技术物理系任教期间，他提出萃取体系和核燃料的协同萃取体系的分类法，对核燃料铀和钚的萃取机理和萃取体系进行大量的研究工作，为我国摒弃前苏联提供的沉淀法流程，建立第一个核燃料后处理铀、钚分离厂，采用先进的萃取法流程提供了参考依据，完善和发展了测定萃取平衡常数的两相滴定法。
徐光宪曾说过：“科学研究是接力赛跑，所以每项创新都有前因后果，把这些前因后果串联起来，就构成一条‘创新链’。创新链常有分支，于是构成了‘创新树’，在创新树的分支上，可以思考下一步怎么走。”“文革”后，他一直从事稀土萃取分离研究，提出稀土串级萃取理论和计算最优化工艺参数的理论公式及计算机程序，实现不经过小试和中试，“一步放大”到生产，建立多个稀土分离新工艺流程，使我国稀土分离工艺达到国际先进水平。
稀土：工业味精
稀土元素包括15个镧系元素和钪、钇共17个元素，它们在一百多种元素的大家族中占据独特的位置。因其具有独特的原子结构，与其他元素形成稀土化合物时，具有诸多其他元素所不具备的光、电、磁特性，被称为“工业味精”。在石油提炼过程中加入稀土，可以提高汽油的产量。在炼钢过程中所用的催化剂里加入稀土，可以大幅提高钢材的韧性、耐腐蚀性等。目前迅速发展的激光材料、超导材料、燃料电池等也离不开稀土。
稀土元素及其化合物无论是在传统材料领域还是高新技术材料领域都有着极为广泛的应用。美国国防部公布的35种战略元素中，有16种稀土元素。世界各国都在大力开发稀土应用技术，几乎每隔3～5年就有一次稀土应用的新突破。1962年，发现了稀土分子筛用于石油的催化裂解，使汽油产量大幅提高。1966年，发现了稀土红色荧光粉，使彩电亮度提高一倍，1970年发现的稀土钴永磁材料和1983年问世的钕铁硼永磁体（Nd2Fe14B）有可能实现电机的微型化及高效化。1986年，稀土高温超导材料的发现使超导温度从液氦温区进入液氮温区。
我国是稀土资源大国，探明的稀土储量占世界总储量的2/3，内蒙古白云鄂博稀土矿富含镧、铈、镨、钕和少量钐、铕、钆等元素，江西、广东、广西、福建、湖南五省重稀土资源丰富。由于稀土矿大多都是伴生矿，上世纪80年代中期以前，我国只能依赖于低价出口稀土矿物和混合物来获取很小的利润，同时还要高价进口深加工稀土产品，使我国长期处于“有资源无利益”的窘境。
而开发利用稀土却并非易事——一切都得从“分离”开始。元素周期表从上到下，电子层数逐渐增大，原子半径也逐渐增大。由于镧系元素内层4f电子对外层电子的斥力很小，随着镧（La）到镥（Lu） 的镧系元素原子序数的增加，原子核对最外层电子的吸引力也逐渐增加。有效核电荷的增加，引起镧系元素原子半径依次缩小，这一现象被称为镧系收缩。这使得钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）的离子半径均接近钇（Y），构成性质极相似的钇组元素（亦称重稀土元素），彼此在自然界共生，难以分离。
另外，自然界中共生的稀土元素含量不同，一些元素很贵重，含量很低，如铕（Eu）和铽（Tb），分离中要保证他们的高回收率、高纯度，难上加难。
稀土的发现史，也可以说是一部稀土的分离史。
1794年，芬兰化学家加多林（J. Gadolin）首先从瑞典首都斯德哥尔摩附近的一个小镇伊特比发现了钇矿。1842年，瑞典的墨桑德尔（C. Mosander）经过仔细分析，发现钇土不是一种单纯氧化物而是3种矿物的混合体，他把其中一种称为钇土，其余两种分别命名为铒土和铽土。
35年后的1878年，瑞士化学家马利纳克（Marignac）又从钇土中分离出一种新的稀土元素，命名为镱（Yb）；两年后，瑞典化学家尼尔逊（L. Nilson）又从中分离出新的元素，称为钪（Sc）。人们利用千百次的重结晶分离以及离子交换等等，终于又从这些稀土中分离得到了钬和铥。其后，法国化学家布瓦博法朗对氧化钬进行了上千次的重结晶，以去除杂质，才得到一种新的元素镝，它的意思是“难以取得”（dysprositos）。
另外9种稀土元素的发现，也经历了类似艰辛的分离过程。直到1974年，马林斯基（J.A. Marinsky）、洛仑迪宁（L.E. Gelendenin）等用人工方法从核反应堆中的铀裂变产物中提取出稀土的最后一个元素钷（Pm）为止，17种稀土元素才最终被确定下来。人类从自然界发现全部稀土元素历经了3个世纪。
镨钕：难分难离的双生子
1972年，在北京大学化学系任教的徐光宪接到了一项紧急军工任务——分离镨钕。镨钕都属于稀土元素，性质十分相似，分离系数一般小于2（分离系数的大小反映出两组分分离的难易程度。分离系数等于1，便不能实现分离；分离系数偏离于1越远，越容易被分离）。因此，它们的发现者威尔斯巴赫（Welsbach）分别把它们命名为Pr（镨，Praseodymium，“绿色双生子”之意）和Nd（钕，Neodymium，“新的双生子”之意）。
在当时，国际上分离这对“双生子”主要靠的是离子交换法。这种方法是将稀土溶液通过内装有树脂的圆形柱，使稀土离子吸附在树脂上；再使用能与稀土溶液络合的“淋洗液”对树脂上的稀土离子进行“淋洗”。随着淋洗，稀土元素依原子序数由大到小流出分离柱。分别收集，可以进一步制成单一稀土。这种方法成本高，溶液浓度低，不能适应大规模的工业生产。
面对这样的难题，做事情从不按部就班的徐光宪还是选择研究了多年的“萃取技术”。
“当时国际上一直在用萃取技术，比如美国的蒙特帕斯、法国的罗纳普纳克。但想取得高纯度稀土元素时，都需要辅以离子交换技术。‘萃取技术’徐先生运用得炉火纯青。”黄春辉告诉记者。美国矿业局运用萃取技术，经过多次试验，也只得到92%纯度的钕和不到50%的镨。
所谓萃取，是根据相似相溶原理，利用物质在不同溶剂中具有不同溶解度的特点，进行物质分离的一种方法。徐光宪对要分离的元素做了大量单级萃取试验，从改进稀土萃取分离工艺入手，通过选择萃取剂和络合剂，配成季铵盐二甲苯有机相—二乙三胺五乙酸（DTPA）水相，组成推拉体系，以便加大分离系数。
萃取过程是被分离物质在水和有机溶剂中的分配过程。简单说就是将被分离物、水、有机溶剂混合置于同一容器，高速地震荡。静止后，互不相容的水和有机溶剂会慢慢分离。达到平衡时，被分离物作为溶质在有机溶剂和水中都有一定的浓度，它反映萃取体系达到平衡后被分离物在两种溶剂中分配的实际情况。这个浓度的差别主要取决于被萃取物和萃取体系的本质，浓度的差别越大，被分离物质越容易被分离。
在徐光宪设计的镨钕分离的萃取体系中，DTPA是一种抑萃络合剂，它与钕离子形成的络合物的稳定性常数比镨大，使钕比镨更易保留在水中。另一方面，硝酸甲基三烷基季铵盐萃取剂（有机溶剂）对镨离子的络合能力比钕大，使镨比钕更易保留在有机溶剂中。“一推一拉”—两个相反的作用力构成了“推拉体系”，它扩大了镨钕的分离系数。
在萃取分离的过程中，仅经一次萃取难以达到有效分离的目的。在实际生产中，常把若干个萃取器串联起来，使有机溶剂和水多次接触，才能使易萃组分不断地在有机溶剂中富集，难萃组分在水中富集，以达到纯度要求，从而大大提高分离效果，这就是串级萃取。徐光宪设计了多种稀土分离工艺流程，在实际的应用中，分馏萃取应用得最为广泛。
萃取分离的效率很大程度上取决于萃取剂，萃取剂的结构、性质、萃取过程中的作用是萃取分离中最重要的理论与实践问题。徐光宪根据多年的经验选择萃取剂和络合剂，并进一步对单级试验筛选出来的较好的萃取条件进行试验。这需要凭经验确定流量比、级数、进料位置等工艺参数，然后开始费力地“摇漏斗”，几个星期后，分析两头产品的纯度。如未达到要求，就改变工艺参数再试。最终，徐光宪出色地完成了分离“双生子”这项紧急的军工任务，得到了纯度为99.9%的镨和99.9%的钕。
串级萃取分离重要的是要确定最优化条件，即在萃取器的总容积和产量相同的情况下，获得最佳分离效果。对于一个指定的分离任务，首先遇到的问题是选择一个最好的萃取体系，即要求分离系数大，萃取量大，流程简单，操作安全，萃取剂价格低，损耗少，“三废”易于处理等。这些条件往往不能同时满足，这就需要权衡轻重，选择最适宜的萃取体系。萃取体系确定后，就要进行单级试验来确定最适当的萃取剂配比，被萃取料液和洗液的浓度和酸度等。这是单级最优化。然后根据体系的分离系数和分离指标等条件来设计最优化的串级工艺。这就是串级工艺最优化。工艺条件确定后，还要选择最适宜的萃取设备。
徐光宪“工作节奏很快，一般是白天‘摇漏斗’，晚上分析数据，第二天就要拿出下一步的工作方案”，黄春辉说，“和徐先生一起工作总感觉要一路小跑着。”
徐光宪的科学研究理念是“立足基础研究，面向国家目标”。在萃取分离的基础研究方面，当时有阿尔德思（Alders）的《液液萃取》可资借鉴。书中有计算串级萃取的级数的公式，但没有计算料液、萃取剂、洗涤剂的流量比公式。同时，阿尔德思假设被分离元素A和B的萃取比恒定，与实验结果有较大偏差。徐光宪提出混合萃取比的新概念和混合萃取比恒定的新假设，建立了新的串级萃取理论，可用于计算萃取段和洗涤段的级数，以及流量比等工艺参数。
在当时北大的“南北阁”，徐光宪等用电子管计算机开始了计算机模拟试验，进行萃取工艺的优化设计，从而使萃取分离工艺的设计可以越过小试及扩大试验，“一步放大”。
随着实验的推进，徐光宪和他的学生在串级萃取理论的基础上，提出“大洗大捞”的办法：使不合格的产品保存在操作流程内，合格的产品“捞”到萃取剂里，将不合格的产品回流到体系中继续分离，不断重复这一过程，基本消除平衡前不合格产品，并大大缩短从开始至达到平衡的时间。
在实际生产过程中，稀土矿物往往是几种元素共生，根据性质分成几组逐次萃取。“三出口工艺”是在一百多级的生产流程里，计算选择合适的出口，得到一种混合了几种元素的产品，这不仅改变了过去只能得到易萃和难萃两种产品的局面，而且可以高效地获得某些含量小、价值高的稀土元素。
现在，只要在计算机上简单地输入矿物的成分、所需产品的纯度等几个参数，稀土分离的设计过程就能完成，大大缩短了稀土分离工艺的设计时间。
从稀土资源大国到科技大国
从1991年起，我国单一高纯度稀土的产量占全世界的80%以上，迫使美日稀土分离厂停产，法国减产。大量优质高纯单一稀土的出口，使国际单一稀土价格下降至原来的1/3～1/4，被国外稀土界称为“China Impact”（中国冲击）。我国从稀土资源大国变成生产大国，得益于徐光宪串级萃取理论的广泛应用。稀土价格大幅下降的原因，除了分离技术的进步外，还由于我国地方和私营企业看见稀土分离有较高利润，把国营厂的总工程师请来建厂。这样的工厂达几十个之多，全国年产量达到12万吨，大于全世界的需求量10万吨。各厂之间恶性竞争，压低稀土价格。黄春辉告诉记者：“日本、韩国和美国等大量收购中国的优质廉价单一稀土产品，做为他们的战略储备。这是科学家不愿意看到的，徐先生对此非常痛心。”耄耋之年的徐光宪一直在呼吁，希望能有个像OPEC一样的组织，把我国的稀土企业组织起来，自动限制产量，控制价格，但没有成功。2005年，他联合15位院士提出建议。2006年又直接上书温总理，得到温总理的迅速批示。为了落实温总理的批示，国土资源部下令从2007年起，全国稀土矿的开采量限于8万吨，小于世界需求量的10万吨。这个消息在2006年公布后，国际稀土的价格马上上升150%。
目前，广泛应用于稀土分离的串级萃取理论在世界上仍处于领先地位。我国在稀土的磁、光、电和纳米功能材料的研究方面也有很大进展，但与发达国家相比仍有很大差距。“还有不少事情要做”，黄春辉说，“现在国内缺少原创性的稀土功能材料和器件，我国每年还要为此付出大量的专利费用。”
徐先生曾说：“我以前的学生，比如黄春辉在稀土光电功能材料方面的研究、黎乐民在量子化学和稀土化合物的电子结构的研究、高松在稀土磁化学材料方面的研究、严纯华在稀土纳米材料方面的研究以及在稀土串级萃取理论的发展等方面，都已大大超越了我。这是我晚年最高兴的事情和最大的安慰。由于全国稀土工作者的努力，中国正在从稀土生产大国向稀土科技大国前进。”
（感谢徐光宪院士、黄春辉院士和严纯华教授对本文所做的审读工作）
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