Vén màn lịch sử và cách phân loại các nguyên tố đất hiếm

Vị trí các nguyên tố đất hiếm nhẹ và nặng trên bảng tuần hoàn hóa học

Đất hiếm, hay còn được ví von là "vitamin của nền công nghiệp", không chỉ là nguyên liệu sản xuất mà đã trở thành thước đo quyền lực mềm, là tâm điểm của các cuộc cờ vây chiến lược giữa các cường quốc. Không một chiếc điện thoại thông minh, một tuabin gió hay một hệ thống tên lửa dẫn đường nào có thể vận hành nếu thiếu đi sự hiện diện của chúng.

Tuy nhiên, đằng sau sự phổ biến ấy là một lịch sử khám phá đầy ly kỳ và một cuộc đua tranh khốc liệt giữa phương Tây và Trung Quốc, nơi ranh giới thắng thua không nằm ở trữ lượng mỏ quặng mà nằm ở khả năng làm chủ những nguyên tố khó nhằn nhất.

Hành trình lịch sử: Từ mỏ đá Ytterby đến cuộc cách mạng công nghệ cao

Câu chuyện về đất hiếm không bắt đầu trong các phòng thí nghiệm hiện đại hào nhoáng, mà khởi nguồn từ một mỏ đá feldspar tăm tối tại ngôi làng nhỏ Ytterby trên đảo Resarö của Thụy Điển. Năm 1787, trung úy Carl Axel Arrhenius, một người lính đam mê địa chất, đã tìm thấy một loại đá đen nặng trịch kỳ lạ. Ông đặt tên nó là "ytterbite" và gửi mẫu vật cho các nhà hóa học thời bấy giờ. Phải mất nhiều năm sau, nhà hóa học Phần Lan Johan Gadolin mới tách được ô-xít của một nguyên tố mới từ mẫu đá này, đặt nền móng cho việc tìm ra Ytri.

Trong suốt thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học lần lượt bóc tách từng lớp bí mật của quặng này, phát hiện ra chuỗi các nguyên tố Lanthanit. Điều trớ trêu là tên gọi "đất hiếm" ra đời từ sự hiểu lầm của các nhà hóa học thế kỷ 18. Bởi thực tế chúng không hề hiếm về mặt trữ lượng địa chất (thậm chí Cerium còn phổ biến hơn đồng). Cái "hiếm" ở đây nằm ở sự phân tán cực loãng trong lớp vỏ Trái đất và tính chất hóa học "dính như sam" của chúng, khiến việc tách riêng từng nguyên tố trở thành một thách thức luyện kim cực đại.

Lịch sử ứng dụng của đất hiếm cũng là tấm gương phản chiếu sự tiến bộ của văn minh nhân loại. Vào cuối thế kỷ 19, ứng dụng thương mại đầu tiên của đất hiếm khá khiêm tốn: chúng được dùng để chế tạo lưới chụp đèn khí (gas mantles) nhờ khả năng phát sáng khi bị nung nóng của Torium và Cerium. Đến đầu thế kỷ 20, hợp kim ferrocerium ra đời, trở thành đá lửa trong những chiếc bật lửa bỏ túi, đánh dấu sự hiện diện dân dụng đầu tiên. Tuy nhiên, kỷ nguyên vàng của đất hiếm chỉ thực sự bắt đầu vào giữa thế kỷ 20, gắn liền với sự bùng nổ của công nghệ điện tử.

Thập niên 1960 chứng kiến bước ngoặt lớn khi Europium được phát hiện là chất duy nhất có thể tạo ra màu đỏ rực rỡ trên màn hình tivi màu. Nhu cầu bùng nổ này đã đưa mỏ Mountain Pass tại California (Mỹ) lên vị thế độc tôn toàn cầu, biến Mỹ thành "ông vua" đất hiếm thời bấy giờ. Nhưng bước nhảy vọt quan trọng nhất đến vào những năm 1980, khi các nhà khoa học tìm ra cách chế tạo nam châm vĩnh cửu từ hợp kim Neodymium-Sắt-Bo (NdFeB).

Loại nam châm này mạnh gấp nhiều lần nam châm thường, cho phép thu nhỏ kích thước của mọi thiết bị điện tử từ ổ cứng máy tính, loa, tai nghe cho đến động cơ điện. Kể từ đó, đất hiếm chính thức thoát khỏi vỏ bọc nguyên liệu phụ trợ để trở thành "xương sống" của các ngành công nghiệp mũi nhọn như năng lượng tái tạo và quốc phòng.

Phân cực "Nặng - Nhẹ" và bản chất cuộc cạnh tranh địa chính trị

Để hiểu rõ bản chất cuộc chiến thương mại hiện nay, ta cần nhìn sâu vào cấu trúc của nhóm nguyên tố này. Ngành công nghiệp phân chia 17 nguyên tố đất hiếm thành hai nhóm chính dựa trên trọng lượng nguyên tử và cấu hình electron: nhóm đất hiếm nhẹ (Light Rare Earth Elements - LREE) và nhóm đất hiếm nặng (Heavy Rare Earth Elements - HREE). Nhóm đất hiếm nhẹ, bao gồm các nguyên tố đầu bảng như Lanthan, Cerium, Neodymium, thường có trữ lượng dồi dào hơn và dễ khai thác hơn. Ngược lại, nhóm đất hiếm nặng bao gồm các nguyên tố cuối bảng như Dysprosium, Terbium, Yttrium lại có trữ lượng ít hơn hẳn và quy trình chiết tách phức tạp hơn gấp bội.

Đây chính là lúc bức tranh địa chính trị trở nên rõ nét. Dư luận thường lầm tưởng rằng phương Tây lo sợ Trung Quốc vì Bắc Kinh nắm giữ nhiều mỏ đất hiếm. Nhưng thực tế, Mỹ, Úc hay thậm chí Việt Nam đều có trữ lượng đất hiếm dồi dào. Vấn đề cốt lõi nằm ở chỗ: các mỏ ngoài Trung Quốc (như Mountain Pass ở Mỹ hay Mount Weld ở Úc) chủ yếu chứa đất hiếm nhẹ. Trong khi đó, các ứng dụng công nghệ cao cấp nhất, mang tính chiến lược nhất lại phụ thuộc hoàn toàn vào đất hiếm nặng, thứ mà Trung Quốc gần như nắm thế độc quyền tuyệt đối nhờ các mỏ sét hấp thụ ion độc đáo tại miền Nam nước này.

Cuộc cạnh tranh thực sự giữa Trung Quốc và phương Tây không nằm ở nhóm đất hiếm nhẹ. Với các nguyên tố nhẹ như Lanthan hay Cerium, thế giới đang trong tình trạng dư cung và phương Tây hoàn toàn có thể tự chủ nguồn cung nhờ các mỏ hiện có. Cuộc chiến thực sự khốc liệt nằm ở nhóm đất hiếm nặng, đặc biệt là Dysprosium và Terbium.

Hai nguyên tố này là thành phần không thể thay thế để giúp nam châm Neodymium chịu được nhiệt độ cao mà không mất từ tính. Hãy tưởng tượng một chiếc xe điện vận hành liên tục hay một tuabin gió khổng lồ quay giữa biển khơi; động cơ của chúng sẽ trở nên vô dụng nếu nam châm bên trong bị quá nhiệt. Chính Dysprosium là "chất bảo hiểm" cho hiệu suất của các thiết bị này. Tương tự, trong lĩnh vực quốc phòng, các hệ thống dẫn đường tên lửa và sonar quân sự đều yêu cầu độ chính xác và độ bền nhiệt mà chỉ đất hiếm nặng mới đáp ứng được.

Trung Quốc đã dành hàng thập kỷ để xây dựng một chuỗi cung ứng hoàn chỉnh từ khai thác, tinh chế đến sản xuất nam châm, chấp nhận đánh đổi môi trường để làm chủ công nghệ phân tách đất hiếm nặng đầy khó khăn. Phương Tây hiện đang nỗ lực tái thiết chuỗi cung ứng nhằm thoát khỏi sự phụ thuộc này, với các liên minh giữa Mỹ, Nhật, Úc và sự trỗi dậy của các nguồn cung mới.

Tuy nhiên, thách thức đối với phương Tây không chỉ là tìm ra mỏ quặng, mà là xây dựng được các nhà máy tinh chế đất hiếm nặng, nơi đòi hỏi bí quyết công nghệ và quy trình xử lý hóa chất phức tạp mà Trung Quốc đã tối ưu hóa suốt 30 năm qua. Do đó, trong ngắn hạn và trung hạn, dù phương Tây có thể tự chủ về đất hiếm nhẹ, thì "tử huyệt" đất hiếm nặng vẫn là đòn bẩy quyền lực mà Trung Quốc nắm giữ trên bàn đàm phán quốc tế.

Bùi Tú