الجادولينيوم: أبرد معدن في العالم

الجادولينيوم، العنصر 64 من الجدول الدوري.

اللانثانيدات الموجودة في الجدول الدوري هي عائلة كبيرة، وخواصها الكيميائية متشابهة جدًا مع بعضها البعض، لذا يصعب فصلها. في عام 1789، حصل الكيميائي الفنلندي جون جادولين على أكسيد فلز واكتشف أول أكسيد أرضي نادر -أكسيد الإيتريوم (III).من خلال التحليل، وفتح تاريخ اكتشاف العناصر الأرضية النادرة. في عام 1880، اكتشف العالم السويدي ديميرياك عنصرين جديدين، تم التأكد من وجود أحدهما لاحقًاسماريوموالآخر تم تحديده رسميًا على أنه عنصر جديد، الجادولينيوم، بعد تنقيته من قبل الكيميائي الفرنسي ديبوا بوديلاند.

ينشأ عنصر الجادولينيوم من خام السيليكون بيريليوم الجادولينيوم، وهو رخيص الثمن، ناعم الملمس، جيد في الليونة، مغناطيسي في درجة حرارة الغرفة، وهو عنصر أرضي نادر نشط نسبيًا. وهو مستقر نسبيًا في الهواء الجاف، ولكنه يفقد بريقه في الرطوبة، ويشكل قشورًا فضفاضة وسهلة الانفصال مثل الأكاسيد البيضاء. عند حرقها في الهواء، يمكن أن تولد أكاسيد بيضاء. يتفاعل الجادولينيوم ببطء مع الماء ويمكن أن يذوب في الحمض لتكوين أملاح عديمة اللون. خواصه الكيميائية تشبه إلى حد كبير اللانثانيدات الأخرى، لكن خواصه الضوئية والمغناطيسية مختلفة قليلاً. الجادولينيوم هو مغناطيسية مسايرة في درجة حرارة الغرفة ومغناطيسية بعد التبريد. يمكن استخدام خصائصه لتحسين المغناطيس الدائم.

باستخدام البارامغناطيسية للجادولينيوم، أصبح عامل الجادولينيوم المنتج عامل تباين جيد للرنين المغناطيسي النووي. وقد بدأ البحث الذاتي عن تكنولوجيا التصوير بالرنين المغناطيسي النووي، وحصلت على 6 جوائز نوبل مرتبطة بها. ينجم الرنين المغناطيسي النووي أساسًا عن حركة دوران النوى الذرية، وتختلف حركة دوران النوى الذرية المختلفة. واستناداً إلى الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من توهينات مختلفة في بيئات هيكلية مختلفة، يمكن تحديد موضع ونوع النوى الذرية التي يتكون منها هذا الجسم، كما يمكن رسم الصورة الهيكلية الداخلية للجسم. تحت تأثير المجال المغناطيسي، تأتي إشارة تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي النووي من دوران نوى ذرية معينة، مثل نوى الهيدروجين في الماء. ومع ذلك، يتم تسخين هذه النوى القادرة على الدوران في مجال الترددات اللاسلكية للرنين المغناطيسي، على غرار فرن الميكروويف، مما يضعف عادةً إشارة تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي. لا يتمتع أيون الجادولينيوم بعزم مغناطيسي قوي جدًا فحسب، مما يساعد على دوران النواة الذرية، ويحسن احتمالية التعرف على الأنسجة المريضة، ولكنه يحافظ أيضًا على برودتها بأعجوبة. ومع ذلك، فإن الجادولينيوم له سمية معينة، وفي الطب، يتم استخدام الروابط المخلبية لتغليف أيونات الجادولينيوم لمنعها من دخول الأنسجة البشرية.

الجادولينيوم له تأثير مغناطيسي قوي في درجة حرارة الغرفة، وتختلف درجة حرارته مع شدة المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى تطبيق مثير للاهتمام - التبريد المغناطيسي. أثناء عملية التبريد، وبسبب اتجاه ثنائي القطب المغناطيسي، ستسخن المادة المغناطيسية تحت مجال مغناطيسي خارجي معين. عند إزالة المجال المغناطيسي وعزله، تنخفض درجة حرارة المادة. هذا النوع من التبريد المغناطيسي يمكن أن يقلل من استخدام المبردات مثل الفريون ويبرد بسرعة. وفي الوقت الحاضر، يحاول العالم تطوير تطبيق الجادولينيوم وسبائكه في هذا المجال، وإنتاج مبرد مغناطيسي صغير وفعال. وباستخدام الجادولينيوم، يمكن تحقيق درجات حرارة منخفضة للغاية، لذلك يُعرف الجادولينيوم أيضًا باسم "أبرد معدن في العالم".

يتمتع نظائر الجادولينيوم Gd-155 وGd-157 بأكبر مقطع عرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية بين جميع النظائر الطبيعية، ويمكن استخدام كمية صغيرة من الجادولينيوم للتحكم في التشغيل العادي للمفاعلات النووية. وهكذا، وُلدت مفاعلات الماء الخفيف القائمة على الجادولينيوم وقضيب التحكم في الجادولينيوم، مما يمكن أن يحسن سلامة المفاعلات النووية مع تقليل التكاليف.

يتمتع الجادولينيوم أيضًا بخصائص بصرية ممتازة ويمكن استخدامه لصنع عوازل بصرية، تشبه الثنائيات الموجودة في الدوائر، والمعروفة أيضًا باسم الثنائيات الباعثة للضوء. هذا النوع من الصمام الثنائي الباعث للضوء لا يسمح بمرور الضوء في اتجاه واحد فحسب، بل يمنع أيضًا انعكاس الصدى في الألياف الضوئية، مما يضمن نقاء نقل الإشارة الضوئية وتحسين كفاءة نقل الموجات الضوئية. يعد عقيق الجادولينيوم جاليوم واحدًا من أفضل المواد الأساسية لصنع العوازل البصرية.