弗里茨·哈伯(1868年12月9日-1934年1月29日),德国化学家,1918年诺贝尔化学奖得主。从1920年到1927年,哈伯为了帮助在一战中战败的德国还债,尝试了多种方法“淘金”,但最终均以失败告终。2024年1月29日是哈伯逝世90周年,让我们一起回顾他科研生涯后期的这段轶事。哈伯1868年12月9日出生在德国的布里斯劳市(即现在波兰的弗劳茨瓦夫,Wrocław)的一个犹太商人家庭。
尽管哈伯为他的祖国殚精竭虑,德国在一战中还是战败了。1919年6月28日,各国代表签订《凡尔赛条约》。根据协约国赔偿委员会决定,德国共需赔偿2260亿马克且以黄金支付,虽然1921年后减至1320亿马克,但这依然相当于47000吨的黄金。哈伯首先尝试的是将水银(汞)变为黄金。哈伯搭建了一个宏大的反应体系,一个可以产生几十厘米人工闪电的巨型装置。哈伯用它来电击水银样品。
近50个小时的爆裂声过后,水银看上去却没什么变化,也没有任何数据证明汞中哪怕是有微量的黄金生成。哈伯转换思路,将目光投向了浩瀚的海洋。早在19世纪中期,人们就意识到深层海水中溶解有微量的黄金。哈伯找到9篇前人对海中黄金含量的报道,综合这些论文的结果,平均每吨海水中大约含有5-10毫克黄金。哈伯将提取黄金的实验装置秘密安装在德国“汉莎号”(Hansa)客轮上。
在其中一次前往纽约的航行中,哈伯和他的三位团队成员是以月薪10万马克(当时约合8美分)的“助理事务长”(assistant pursers)身份登船的。尽管哈伯实验团队获得了很多大洋中的海水,离心机和电解装置也在不停地运转着,但实验结果却十分让人失望,他们只得到了极少量的黄金。哈伯并没有完全死心,他猜想温暖的热带海洋中,会不会藏有更多的黄金。
于是,哈伯安排了新的航线,这次是乘坐德国的“符腾堡号”(Wurttemburg)客轮,从德国汉堡出发到南美洲的布宜诺斯艾利斯。遗憾的是,这次跨越赤道的漫长海上旅行也没有能给他带来更多的收获。哈伯开始研究微量分析技术,期望对海水中的黄金浓度进行系统而精确的测量。然而,即便是他自己团队的测量结果也经常有很大出入,比如他发现一旦某位研究员经手实验,就往往能获得很高的浓度数值。
哈伯对此十分疑惑,直到他亲自观察这位同事的实验,才搞清楚原因。这位研究员做海水分析实验时,会经常扶一下他的眼镜。这原本是一个下意识动作,然而他戴的可是一副金框眼镜。因为海水中的黄金含量如此微小,所以不经意间从他手指转移到了样品中的微量黄金,就可能给分析结果带来可观的影响。排除各种干扰后,哈伯团队对来自世界多个地区海水进行了约4500次的测量。
最终发现,海水中的黄金含量因所处区域不同而略有变化,但平均含量只有约4微克每吨,还不及阿伦尼乌斯之前所报道数值的千分之一。之前那些论文中的错误,如果不是作者的蓄意伪造,就很可能是由于类似金框眼镜这样的环境干扰所致。海水中的真实黄金含量无疑给哈伯的梦想浇了一盆冷水。哈伯不得不痛苦的承认,海水提金如同“大海捞针”,从经济效益考虑一点都不划算。1927年,他无奈地终止了该项目。
尽管哈伯的求金之旅以失败告终,但人类并没有停止从海水中提取黄金和其他有价值金属的探索。哈伯过世后仅不到20年,《自然》杂志上就发表了一项研究,描述了一种从海水中提取黄金的电化学方法。只不过该方法的提取成本,同样远高于所得的黄金价值。2018年,《美国化学会志》又发表了一项与水中提金相关的研究。
论文中,研究人员将一种金属有机框架材料(MOF)和具有氧化还原活性的聚合物单元结合在一起,形成一种高度多孔的复合材料。这种材料可以像“海绵”一样从海水、淡水甚至污水污泥中快速提取微量黄金。快到在仅仅两分钟内,就能吸收934毫克优质黄金。然而,这项技术目前只是作为一种在生产过程中回收黄金的方法,想进一步将其应用场景扩大到黄金浓度极低的真实海洋环境,还有相当的挑战。
值得注意的是,海水里有价值的东西不只是黄金,还有其他各种稀有金属矿物。在较重的元素中,除了金之外,铀元素(U)长期以来也引起人们的关注。海水中存在的铀浓度虽低,但其总量足以为地球上的核电站提供数千年的燃料。最新的提取方法包括将浸有铀吸收剂的塑料垫沉入海中,以及使用对铀具有特殊亲和力的金属有机框架材料。人们希望,即使这些技术目前不能像商业采矿那样获得利润,也可以对处理放射性核废水有重要的意义。
因为轻信前人的推算结果,哈伯的淘金之旅以悲剧落幕,但通过他团队成员的精确测量,人们至少获知了海水中黄金浓度的真实数据,让人们不再对海水提金的收益抱有盲目的幻想。如今,随着陆地的矿产资源的日益枯竭,海洋矿产资源的勘查和开发正变得愈发重要。从这个角度看,百年前哈伯的大胆尝试虽然看似荒诞,但在探索方向上并不一定是错误的——或许只是太超前于时代了。