Sự chuyển dịch của nền kinh tế toàn cầu từ dựa trên nhiên liệu hóa thạch sang các nền tảng công nghệ xanh và kỹ thuật số đã đưa các nguyên tố đất hiếm (REE) vào vị thế trung tâm của mọi cuộc thảo luận về an ninh năng lượng và chủ quyền công nghệ. Việc đánh giá vai trò của đất hiếm không chỉ dừng lại ở các thông số thương mại mà phải đi sâu vào các đặc tính vật lý, những yếu tố khiến chúng trở nên không thể thay thế trong các hệ thống phòng thủ tiên tiến, các lò phản ứng hạt hiện đại và các thiết bị chẩn đoán y học chính xác cao.
Nhóm 17 nguyên tố đất hiếm, bao gồm 15 nguyên tố trong nhóm Lanthan cùng với Scandium và Yttrium, sở hữu các đặc tính từ tính, phát quang và xúc tác đặc biệt do cấu trúc của phân lớp electron 4f. Trong giai đoạn 2024-2025, thế giới đã chứng kiến những biến động địa chính trị sâu sắc khi danh mục khoáng sản thiết yếu liên tục được cập nhật, điển hình là danh sách của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) năm 2025 đã bổ sung thêm các khoáng sản chiến lược nhằm ứng phó với rủi ro đứt gãy chuỗi cung ứng. Trong đó, đất hiếm không chỉ là nguyên liệu sản xuất mà còn là các “vật liệu chức năng hạt nhân” cho phép kiểm soát dòng neutron và phát hiện bức xạ với độ nhạy cực lớn.
Cấu trúc nguyên tử và bản chất lý hóa đặc trưng
Để hiểu tại sao đất hiếm lại có tầm quan trọng sống còn, cần phải phân tích từ mức độ nguyên tử. Sự lấp đầy dần các electron vào lớp vỏ nội tại 4f, trong khi các lớp vỏ 5s và 5p đã đầy, tạo ra một cơ chế “che chắn” hiệu quả. Các electron 4f này không tham gia trực tiếp vào việc hình thành liên kết hóa học nhưng lại đóng góp quyết định vào các tính chất vật lý của nguyên tố. Hiệu ứng co rút Lanthan (Lanthanide Contraction) khiến bán kính ion giảm dần khi số hiệu nguyên tử tăng lên, dẫn đến những khác biệt rất nhỏ nhưng quan trọng trong độ hòa tan và khả năng tạo phức, gây khó khăn cực lớn cho quá trình phân tách tinh khiết.
Về mặt kỹ thuật, việc phân chia đất hiếm thành nhóm nhẹ (LREE) và nhóm nặng (HREE) có ý nghĩa chiến lược trong quản lý tài nguyên. Nhóm LREE thường phổ biến hơn và dễ khai thác hơn, trong khi nhóm HREE như Dysprosium hay Terbium lại khan hiếm và có giá trị cực cao do vai trò của chúng trong việc duy trì từ tính ở nhiệt độ khắc nghiệt.
Phân loại và thuộc tính hạt nhân của một số nguyên tố đất hiếm tiêu biểu
| Nguyên tố | Ký hiệu | Số hiệu nguyên tử | Nhóm | Tiết diện hấp thụ neutron nhiệt (σa, barns) | Ứng dụng công nghệ cao tiêu biểu |
| Lanthanum | La | 57 | Nhẹ | 8,9 | Pin NiMH, thấu kính khúc xạ cao |
| Cerium | Ce | 58 | Nhẹ | 0,6 | Xúc tác ô tô, đánh bóng thủy tinh |
| Neodymium | Nd | 60 | Nhẹ | 50 | Nam châm NdFeB mạnh nhất, Laser Nd:YAG |
| Samarium | Sm | 62 | Nặng | 5.600 | Nam châm SmCo chịu nhiệt, thanh điều khiển |
| Europium | Eu | 63 | Nặng | 4.500 | Chất phát quang đỏ, thanh điều khiển hạt nhân |
| Gadolinium | Gd | 64 | Nặng | 49.000 | Chụp MRI, chất độc cháy trong nhiên liệu hạt nhân |
| Dysprosium | Dy | 66 | Nặng | 940 | Nam châm chịu nhiệt, điều khiển lò phản ứng |
| Lutetium | Lu | 71 | Nặng | 74 | Tinh thể nhấp nháy LYSO trong máy PET |
Dựa trên dữ liệu hạt nhân, Gadolinium nổi bật với tiết diện hấp thụ neutron nhiệt lớn nhất trong số các nguyên tố tự nhiên, khiến nó trở thành đối tượng nghiên cứu trọng tâm trong vật lý lò phản ứng.
Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân
Trong ngành năng lượng nguyên tử, đất hiếm không chỉ là vật liệu cấu trúc mà còn là vật liệu chức năng trực tiếp tham gia vào quá trình điều khiển phản ứng dây chuyền và bảo vệ an toàn bức xạ. Trong các lò phản ứng nước áp lực (PWR) hiện đại, việc nạp nhiên liệu với độ làm giàu 235U cao đòi hỏi các cơ chế kiểm soát độ phản ứng dư ở đầu chu kỳ. Gadolinium (Gd) được sử dụng rộng rãi như một “chất độc cháy” (burnable poison). Cơ chế hoạt động dựa trên sự hiện diện của hai đồng vị có tiết diện hấp thụ neutron cực lớn là 155Gd và 157Gd. Khi các nguyên tử này hấp thụ neutron, chúng chuyển hóa thành các đồng vị có tiết diện hấp thụ thấp hơn, đồng thời giải phóng độ phản ứng một cách từ từ để bù đắp cho sự sụt giảm độ phản ứng do nhiên liệu bị cháy hết và sự tích tụ của các sản phẩm phân hạch.
Các nghiên cứu mô phỏng bằng mã WIMSD-5B với các thư viện dữ liệu hạt nhân như ENDF/B-VII đã chứng minh rằng việc trộn khoảng 2,5% trọng lượng Gd2O3 vào các thanh nhiên liệu UO2 cho phép kéo dài chu kỳ vận hành của lò phản ứng mà không cần tăng kích thước hệ thống thanh điều khiển cơ khí. Điều này không chỉ tăng hiệu suất kinh tế mà còn giảm ứng suất nhiệt lên vùng hoạt nhờ sự phân bố dòng neutron đồng đều hơn. Ngoài ra, Europium (Eu) cũng được ứng dụng trong các thanh điều khiển của các lò phản ứng nghiên cứu và lò phản ứng neutron nhanh nhờ chuỗi các đồng vị hấp thụ neutron liên tiếp, giúp duy trì hiệu suất điều khiển trong thời gian dài.
Vật liệu nhấp nháy cho chẩn đoán hình ảnh và phát hiện bức xạ
Một trong những đóng góp quan trọng nhất của đất hiếm đối với công nghệ bức xạ là sự phát triển của các tinh thể nhấp nháy (scintillators). Các vật liệu này có khả năng hấp thụ các photon tia X hoặc tia gamma năng lượng cao và chuyển đổi chúng thành ánh sáng khả kiến để các đầu dò quang học có thể xử lý.Tinh thể LYSO (Lutetium Yttrium Orthosilicate pha tạp Cerium) là một bước đột phá lớn. Với mật độ cao và thời gian phân rã cực ngắn (khoảng 36-45 ns), LYSO cho phép chế tạo các máy chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) với độ phân giải thời gian và không gian vượt trội so với các tinh thể BGO (Bismuth Germanate) truyền thống.
So sánh các đặc tính vật liệu nhấp nháy dựa trên đất hiếm
| Đặc tính | BGO | LYSO (Ce) | GSO (Ce) | LuAP (Ce) |
| Mật độ ( | 7,13 | 7,1 – 7,4 | 6,71 | 8,34 |
| Thời gian phân rã (ns) | 300 | 36 – 50 | 60 | 18 |
| Light Yield (% của NaI:Tl) | 15 – 25 | 75 – 80 | 30 – 40 | 15 – 20 |
| Độ phân giải năng lượng (662 keV) | 12% | 8% – 10% | 9% | – |
| Tính hút ẩm | Không | Không | Không | Không |
Sự hiện diện của Cerium (Ce) dưới dạng chất pha tạp (dopant) đóng vai trò là trung tâm phát quang, cho phép quá trình chuyển đổi năng lượng diễn ra với hiệu suất cực cao. Trong lĩnh vực thăm dò địa vật lý giếng khoan, các đầu dò bức xạ sử dụng tinh thể đất hiếm giúp xác định chính xác thành phần khoáng vật và độ rỗng của vỉa quặng trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt về nhiệt độ và áp suất.
Đất hiếm còn được nghiên cứu như một thành phần bổ trợ trong các loại bê tông đặc chủng hoặc vật liệu polymer để tăng cường khả năng che chắn neutron. Các nguyên tố như Samarium và Gadolinium, khi được đưa vào cấu trúc của các đá serpentinite hoặc các vật liệu composite, giúp giảm đáng kể độ dày của tường chắn trong các phòng điều trị xạ trị hoặc các kho lưu trữ chất thải hạt nhân mà vẫn đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành. Sự kết hợp giữa mật độ cao của đất hiếm nặng và tiết diện hấp thụ neutron nhiệt lớn tạo ra một rào cản bức xạ hiệu quả chống lại cả bức xạ gamma và dòng neutron, điều mà các vật liệu che chắn truyền thống như chì hoặc borat đơn thuần khó lòng đạt được đồng thời.
Vai trò trong các ngành công nghệ cao và kinh tế xanh
Nếu công nghệ hạt nhân là lĩnh vực chuyên biệt, thì sự hiện diện của đất hiếm trong đời sống dân dụng thông qua các ngành công nghệ cao lại mang tính phổ quát và trực tiếp thúc đẩy tăng trưởng kinh tế. Nam châm vĩnh cửu NdFeB (Neodymium-Sắt-Boron) là “trái tim” của các động cơ điện hiệu suất cao. Sự kết hợp giữa Neodymium (Nd) để tạo cường độ từ trường, Praseodymium (Pr) để tăng độ bền và Dysprosium (Dy) hoặc Terbium (Tb) để tăng khả năng chịu nhiệt đã tạo ra loại nam châm có mật độ năng lượng từ tính cao nhất hiện nay.
Trong một chiếc xe điện, mỗi động cơ cần khoảng 1-2 kg nam châm đất hiếm để tối ưu hóa hiệu suất và giảm trọng lượng xe, từ đó kéo dài quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc. Tương tự, các máy phát điện trong tuabin gió trực tiếp (direct-drive wind turbines) sử dụng hàng trăm kilôgam đất hiếm cho mỗi megawatt công suất. Việc loại bỏ hộp số nhờ sử dụng nam châm vĩnh cửu giúp giảm chi phí bảo trì và tăng độ tin cậy của các trang trại điện gió ngoài khơi.
Đất hiếm là nhân tố giúp hiện thực hóa việc thu nhỏ các linh kiện điện tử. Lanthan (La) chiếm tới 50% thành phần của các thấu kính camera trên điện thoại thông minh nhờ chỉ số khúc xạ cao và độ tán sắc thấp.2 Các nguyên tố như Europium và Terbium được sử dụng làm chất phát quang trong màn hình OLED và LCD, mang lại màu sắc sống động và tiết kiệm năng lượng. Trong lĩnh vực viễn thông, các bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium (EDFA) là thiết bị không thể thiếu trong các tuyến cáp quang xuyên đại dương, cho phép duy trì tín hiệu internet tốc độ cao trên khoảng cách hàng ngàn kilômét mà không cần chuyển đổi tín hiệu sang dạng điện.
Tại Hoa Kỳ và các cường quốc quân sự, đất hiếm được coi là “vật liệu chiến lược” bậc nhất. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ ước tính rằng khoảng 78% các chương trình vũ khí hiện đại phụ thuộc vào nam châm và linh kiện đất hiếm.
Các hệ thống vũ khí phụ thuộc đất hiếm
| Nền tảng quân sự | Lượng đất hiếm sử dụng | Ứng dụng cụ thể |
| Máy bay chiến đấu F-35 | ~418 kg | Nam châm cho hệ thống điều khiển bay, radar AESA, động cơ phản lực |
| Tàu khu trục Arleigh Burke | ~2.600 kg | Hệ thống radar Aegis,Sonar, động cơ đẩy |
| Tàu ngầm lớp Virginia | ~4.600 kg | Động cơ điện siêu tĩnh, hệ thống sonar, tên lửa Tomahawk |
| Tên lửa hành trình Tomahawk | – | Nam châm SmCo chịu nhiệt cho cánh lái, hệ thống dẫn đường |
Sự vượt trội về mặt quân sự hiện nay không nằm ở số lượng quân đội mà ở độ chính xác và khả năng tàng hình. Các vật liệu hấp thụ sóng radar (RAM) sử dụng oxit của các nguyên tố như Gadolinium và Terbium giúp giảm diện tích phản xạ radar (RCS) của máy bay, cho phép chúng xâm nhập vào các hệ thống phòng không hiện đại mà không bị phát hiện. Ngoài ra, nam châm Samarium-Cobalt (SmCo) với khả năng kháng khử từ ở nhiệt độ cao là thành phần sống còn trong các hệ thống dẫn đường của vũ khí chính xác và UAV, nơi các linh kiện phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ cực lớn phát ra từ động cơ phản lực.
Phân tích địa chính trị và chuỗi cung ứng toàn cầu 2024-2025
Tính đến năm 2024, cấu trúc thị trường đất hiếm vẫn duy trì một sự tập trung đáng báo động. Trung Quốc không chỉ sở hữu trữ lượng lớn nhất thế giới (44 triệu tấn REO) mà còn nắm giữ quyền kiểm soát gần như tuyệt đối đối với các công đoạn tinh chế và phân tách sâu. Trong năm 2024, Trung Quốc sản xuất khoảng 270.000 tấn đất hiếm, chiếm gần 70% sản lượng toàn cầu. Tuy nhiên, sức mạnh thực sự nằm ở khâu trung nguồn: Trung Quốc kiểm soát hơn 90% năng lực phân tách và tinh chế đất hiếm toàn cầu. Vào tháng 11 năm 2025, Bộ Thương mại Trung Quốc (MOFCOM) đã thực hiện một bước đi mang tính bước ngoặt khi mở rộng danh mục kiểm soát xuất khẩu, bổ sung thêm 5 nguyên tố đất hiếm nặng bao gồm: Holmium, Erbium, Thulium, Europium và Ytterbium. Các biện pháp này bao gồm cả việc hạn chế xuất khẩu thiết bị và công nghệ phân tách đất hiếm, cũng như áp dụng các quy tắc “ngoại biên” (extraterritorial) tương tự như các biện pháp của Hoa Kỳ, nhằm vào bất kỳ sản phẩm nào có chứa hơn 0,1% giá trị là đất hiếm có nguồn gốc từ Trung Quốc. Sự thắt chặt này đã gây ra một làn sóng lo ngại trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và quốc phòng của phương Tây. Các doanh nghiệp hiện đang phải đối mặt với việc rà soát kỹ lưỡng người dùng cuối và mục đích sử dụng, dẫn đến sự chậm trễ trong việc cấp phép và vận chuyển các linh kiện quan trọng.
Để đối phó với thế độc quyền của Trung Quốc, các quốc gia khác đã đẩy mạnh đầu tư vào các dự án khai thác và tinh chế nội địa. Hoa Kỳ: Chính quyền Mỹ đã cung cấp các khoản tài trợ khổng lồ cho dự án Mountain Pass tại California và các cơ sở phân tách đất hiếm nặng tại Texas. Ngoài ra, DFC của Mỹ đã cung cấp gói tài chính 565 triệu USD cho dự án đất hiếm Serra Verde tại Brazil, dự kiến sản xuất 5.000 tấn REO mỗi năm. Úc: Tập đoàn Lynas tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất và đang xây dựng thêm năng lực phân tách tại Mỹ. Các mỏ mới tại Úc đang được đẩy nhanh tiến độ với mục tiêu cung cấp nguồn cung thay thế ổn định cho thị trường Nhật Bản và Châu Âu. Châu Âu: Đạo luật Nguyên liệu thô quan trọng (CRMA) đã đặt ra các chỉ tiêu cụ thể cho năm 2030: ít nhất 10% tiêu thụ đất hiếm phải được khai thác tại EU, 40% được tinh chế và 25% đến từ các nguồn tái chế. Mặc dù có những nỗ lực này, các chuyên gia phân tích rằng việc xây dựng một chuỗi cung ứng hoàn chỉnh bên ngoài Trung Quốc sẽ mất ít nhất từ 8 đến 10 năm do các rào cản về công nghệ phân tách hóa học và các tiêu chuẩn khắt khe về môi trường.
Giá đất hiếm đặc trưng bởi sự biến động cực lớn và không theo quy luật thông thường của các kim loại cơ bản. Sau giai đoạn lập đỉnh vào năm 2022 do ảnh hưởng của đại dịch và đứt gãy vận tải, giá đất hiếm đã có sự điều chỉnh nhưng đang bắt đầu chu kỳ tăng mới vào cuối năm 2025.
So sánh giá các nguyên tố đất hiếm chiến lược (2020 – 2026)
| Sản phẩm (Oxit) | Đơn vị | Tháng 1/2020 | Tháng 2/2025 | Thay đổi (%) | Dự báo 2026 |
| Neodymium (Nd) | USD/kg | 65,0 | 200,0 | +207,7% | 215,0 |
| Praseodymium (Pr) | USD/kg | 72,0 | 197,6 | +171,5% | 210,0 |
| Terbium (Tb) | USD/kg | 660,0 | 4.028,5 | +503,1% | 4.500,0 |
| Dysprosium (Dy) | USD/kg | 345,0 | 930,7 | +169,6% | 1.100,0 |
| Hafnium (Hf) | USD/kg | 1.565,0 | 12.001,5 | +666,5% | 13.500,0 |
Ghi chú: Giá năm 2026 là mức ước tính dựa trên các mô hình macro và kỳ vọng của giới phân tích.
Sự tăng giá kỷ lục của Terbium và Hafnium (một kim loại đi kèm đất hiếm trong các ứng dụng hạt nhân và bán dẫn) phản ánh sự khan hiếm trầm trọng của các nguyên tố phục vụ cho quốc phòng và công nghệ năng lượng tương lai. Neodymium và Praseodymium mặc dù không bị Trung Quốc đưa vào danh sách kiểm soát xuất khẩu vào tháng 4/2025, nhưng giá vẫn tăng do nhu cầu khổng lồ từ lĩnh vực xe điện.
Việt Nam sở hữu trữ lượng đất hiếm được ước tính lên tới 22 triệu tấn, đứng thứ hai thế giới. Đây là một “mỏ vàng” chiến lược có thể giúp Việt Nam tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị công nghệ cao toàn cầu. Chính phủ Việt Nam đã ban hành Quyết định số 866/QĐ-TTg ngày 18/7/2023 phê duyệt Quy hoạch thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng khoáng sản thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050.
Các mục tiêu then chốt của quy hoạch bao gồm:
- Sản lượng khai thác: Phấn đấu đạt khoảng 2 triệu tấn quặng nguyên khai mỗi năm vào năm 2030.
- Yêu cầu về chế biến sâu: Tuyệt đối không xuất khẩu quặng thô. Các dự án cấp phép mới phải cam kết sản xuất ra các sản phẩm có hàm lượng tổng các oxit đất hiếm (TREO) tối thiểu đạt 95%, đồng thời khuyến khích phân tách ra các nguyên tố riêng rẽ (REO) phục vụ công nghiệp trong nước và xuất khẩu giá trị cao.
- Hợp tác quốc tế: Việt Nam đang tích cực đàm phán với các đối tác từ Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và Úc để chuyển giao công nghệ phân tách và chế biến đất hiếm, nhằm phá thế độc quyền về công nghệ của các quốc gia láng giềng.
- Thực trạng tại các mỏ đất hiếm trọng điểm
- Việt Nam có các diện tích đất hiếm phân bố tại 21 tỉnh, thành phố, tập trung chủ yếu ở dải phía Bắc.
- Mỏ Đông Pao (Lai Châu): Được coi là mỏ đất hiếm lớn nhất Việt Nam. Sau gần một thập kỷ trầm lắng, hiện đang có các nỗ lực tái khởi động mạnh mẽ trong năm 2025-2026 nhằm xây dựng tổ hợp khai thác và chế biến sâu.
- Mỏ Yên Phú (Yên Bái): Là một bài học về quản lý tài nguyên và môi trường. Trong giai đoạn 2019-2023, các sai phạm trong khai thác trái phép và không xử lý chất thải đã dẫn đến các hệ lụy nghiêm trọng về môi trường.
- Khu vực Phú Thọ: Đang triển khai các đề án điều tra tổng thể tiềm năng khoáng sản chiến lược và khai thác thử nghiệm trong năm 2026.
Trong bối cảnh thế giới tiến tới mục tiêu Net Zero, nhu cầu về đất hiếm được dự báo sẽ tăng gấp 4 lần vào năm 2040. Tuy nhiên, khai thác quặng nguyên sinh không phải là con đường duy nhất. Hiện nay, tỷ lệ tái chế đất hiếm toàn cầu vẫn ở mức thấp, dưới 5%. Tuy nhiên, các quốc gia như Nhật Bản và Hàn Quốc đã tiên phong trong lĩnh vực “khai thác đô thị” (urban mining), thu hồi Neodymium và Dysprosium từ các ổ cứng máy tính cũ và động cơ xe điện hỏng.43 Sự tiến bộ trong công nghệ tách chiết hóa học xanh sẽ cho phép tái chế nam châm vĩnh cửu với chi phí năng lượng thấp hơn so với khai thác mới, đồng thời giảm thiểu dấu chân carbon của ngành công nghiệp này.
Các nghiên cứu về vật liệu thay thế không chứa đất hiếm đang được thúc đẩy mạnh mẽ để giảm sự phụ thuộc địa chính trị. Tesla đã công bố kế hoạch phát triển các động cơ điện không sử dụng đất hiếm trong tương lai. Tuy nhiên, các giải pháp thay thế như nam châm Ferrite hoặc động cơ cảm ứng hiện vẫn chưa đạt được hiệu suất và mật độ năng lượng tương đương với nam châm NdFeB. Trong ngắn hạn, đất hiếm vẫn là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng đòi hỏi sự nhỏ gọn và hiệu suất cực cao.
Từ khóa: đất hiếm;
– CMD –
