المواد العسكرية الأرضية النادرة - التيربيوم الأرضي النادر

العناصر الأرضية النادرةلا غنى عنها لتطوير التكنولوجيا الفائقة مثل الطاقة والمواد الجديدة، ولها قيمة تطبيقية واسعة في مجالات مثل الفضاء الجوي والدفاع الوطني والصناعة العسكرية. تشير نتائج الحرب الحديثة إلى أن الأسلحة الأرضية النادرة تهيمن على ساحة المعركة، وأن المزايا التكنولوجية للأتربة النادرة تمثل مزايا تكنولوجية عسكرية، وأن الحصول على الموارد مضمون. ولذلك، أصبحت الأتربة النادرة أيضًا موارد استراتيجية تتنافس عليها الاقتصادات الكبرى في جميع أنحاء العالم، وغالبًا ما ترقى استراتيجيات المواد الخام الرئيسية مثل الأتربة النادرة إلى الاستراتيجيات الوطنية. تولي أوروبا واليابان والولايات المتحدة ودول ومناطق أخرى المزيد من الاهتمام للمواد الرئيسية مثل الأرض النادرة. في عام 2008، تم إدراج المواد الأرضية النادرة ضمن "إستراتيجية المواد الرئيسية" من قبل وزارة الطاقة الأمريكية؛ وفي بداية عام 2010، أعلن الاتحاد الأوروبي عن إنشاء احتياطي استراتيجي من العناصر الأرضية النادرة؛ في عام 2007، اقترحت وزارة التعليم والثقافة والعلوم والتكنولوجيا اليابانية، بالإضافة إلى وزارة الاقتصاد والصناعة والتكنولوجيا، بالفعل "خطة استراتيجية العناصر" وخطة "المواد المعدنية النادرة البديلة". لقد اتخذوا تدابير وسياسات مستمرة في احتياطيات الموارد، والتقدم التكنولوجي، والحصول على الموارد، والبحث عن مواد بديلة. بدءًا من هذه المقالة، سيقدم المحرر بالتفصيل مهام وأدوار التطوير التاريخي المهمة وحتى التي لا غنى عنها لهذه العناصر الأرضية النادرة.

تيربيوم ينتمي إلى فئة العناصر الأرضية النادرة الثقيلة، والتي تتميز بتوفرها المنخفض في القشرة الأرضية بنسبة 1.1 جزء في المليون فقط.أكسيد التيربيوميمثل أقل من 0.01٪ من إجمالي الأتربة النادرة. حتى في خامات الأرض النادرة الثقيلة من نوع أيون الإيتريوم والتي تحتوي على أعلى محتوى من التيربيوم، فإن محتوى التيربيوم لا يمثل سوى 1.1-1.2٪ من إجمالي الأتربة النادرة، مما يشير إلى أنه ينتمي إلى الفئة "النبيلة" من العناصر الأرضية النادرة. التيربيوم هو معدن رمادي فضي ذو ليونة وملمس ناعم نسبيًا، ويمكن قطعه بسكين؛ نقطة الانصهار 1360 درجة مئوية، نقطة الغليان 3123 درجة مئوية، الكثافة 8229 4 كجم/م3. لأكثر من 100 عام منذ اكتشاف التيربيوم عام 1843، حالت ندرته وقيمته دون تطبيقه العملي لفترة طويلة. في الثلاثين عامًا الماضية فقط أظهر التيربيوم موهبته الفريدة.

اكتشاف التيربيوم

خلال نفس الفترة عندمااللانثانمتم اكتشافه، وقام كارل جي موساندر من السويد بتحليل ما تم اكتشافه في البدايةالإيتريومونشر تقريرًا في عام 1842 يوضح أن تراب الإيتريوم المكتشف في البداية لم يكن أكسيدًا عنصريًا واحدًا، بل أكسيدًا من ثلاثة عناصر. في عام 1843، اكتشف موساندر عنصر التيربيوم من خلال أبحاثه على أرض الإيتريوم. ولا يزال يطلق على أحدهم اسم أرض الإيتريوم وواحد منهمأكسيد الإربيوم. ولم يتم تسميته رسميًا حتى عام 1877 بالتربيوم، برمز العنصر Tb. اسمها يأتي من نفس مصدر الإيتريوم، الذي نشأ من قرية يتربي بالقرب من ستوكهولم، السويد، حيث تم اكتشاف خام الإيتريوم لأول مرة. وفتح اكتشاف التيربيوم وعنصرين آخرين هما اللانثانم والإربيوم، الباب الثاني لاكتشاف العناصر الأرضية النادرة، إيذانا بالمرحلة الثانية من اكتشافها. تم تنقيته لأول مرة بواسطة ج. أوربان في عام 1905.

موساندر

تطبيق التيربيوم

تطبيقتيربيوموتشمل في الغالب مجالات التكنولوجيا الفائقة، وهي مشاريع متطورة كثيفة التكنولوجيا ومكثفة المعرفة، فضلا عن المشاريع ذات الفوائد الاقتصادية الكبيرة، مع آفاق التنمية الجذابة. وتشمل مجالات التطبيق الرئيسية ما يلي: (1) استخدامها في شكل أتربة نادرة مختلطة. على سبيل المثال، يتم استخدامه كسماد مركب ترابي نادر ومضاف للأعلاف للزراعة. (2) منشط للمسحوق الأخضر في ثلاثة مساحيق الفلورسنت الأولية. تتطلب المواد الإلكترونية الضوئية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفوسفور، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، والتي يمكن استخدامها لتجميع الألوان المختلفة. والتيربيوم عنصر لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة. (3) تستخدم كمادة تخزين بصرية مغناطيسية. تم استخدام الأغشية الرقيقة من سبائك معدن التيربيوم الانتقالية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية ضوئية عالية الأداء. (4) تصنيع الزجاج البصري المغناطيسي . يعتبر زجاج فاراداي الدوار الذي يحتوي على التيربيوم مادة أساسية لتصنيع الدوارات والعوازل والدورات في تكنولوجيا الليزر. (5) فتح تطوير وتطوير سبيكة التربيوم ديسبروسيوم الحديد المغناطيسي (TerFenol) تطبيقات جديدة للتربيوم.

 للزراعة وتربية الحيوانات

التربة النادرة التيربيوميمكن أن يحسن جودة المحاصيل ويزيد من معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز معين. تمتلك مجمعات التيربيوم نشاطًا بيولوجيًا عاليًا، كما أن مجمعات التيربيوم الثلاثية Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O، لها تأثيرات جيدة مضادة للجراثيم ومبيدة للجراثيم على المكورات العنقودية الذهبية، Bacillus subtilis، وEscherichia coli، مع مضاد للجراثيم واسع النطاق. ملكيات. توفر دراسة هذه المجمعات اتجاهًا بحثيًا جديدًا للأدوية المبيدة للجراثيم الحديثة.

يستخدم في مجال التلألؤ

تتطلب المواد الإلكترونية الضوئية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفوسفور، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، والتي يمكن استخدامها لتجميع الألوان المختلفة. والتيربيوم عنصر لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة. إذا كانت ولادة مسحوق الفلورسنت الأحمر للتلفزيون الملون الأرضي النادر قد حفزت الطلب على الإيتريوم واليوروبيوم، فقد تم تعزيز تطبيق وتطوير التيربيوم بواسطة مسحوق الفلورسنت الأخضر الأساسي ثلاثي الألوان للمصابيح. في أوائل الثمانينيات، اخترعت شركة Philips أول مصباح فلورسنت مدمج موفر للطاقة في العالم وسرعان ما روجت له عالميًا. يمكن لأيونات Tb3+ أن تبعث ضوءًا أخضر بطول موجة يبلغ 545 نانومتر، وتستخدم جميع مساحيق الفلورسنت الخضراء الأرضية النادرة تقريبًا التيربيوم كمنشط.

مسحوق الفلورسنت الأخضر المستخدم في أنابيب أشعة الكاثود للتلفزيون الملون (CRTs) يعتمد دائمًا بشكل أساسي على كبريتيد الزنك الرخيص والفعال، ولكن مسحوق التيربيوم يستخدم دائمًا كمسحوق أخضر للتلفزيون الملون، مثل Y2SiO5: Tb3+، Y3 (Al، Ga) 5O12: Tb3+، وLaOBr: Tb3+. ومع تطور أجهزة التلفاز عالية الوضوح ذات الشاشات الكبيرة (HDTV)، يتم أيضًا تطوير مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الأداء لشاشات CRT. على سبيل المثال، تم تطوير مسحوق فلورسنت أخضر هجين في الخارج، يتكون من Y3 (Al، Ga) 5O12: Tb3+، LaOCl: Tb3+، وY2SiO5: Tb3+، والتي تتمتع بكفاءة تألق ممتازة عند كثافة تيار عالية.

مسحوق الفلورسنت التقليدي للأشعة السينية هو تنغستات الكالسيوم. في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، تم تطوير مساحيق الفلورسنت الأرضية النادرة لشاشات التوعية، مثل أكسيد كبريتيد اللانثانم المنشط بالتربيوم، وأكسيد بروميد اللانثانوم المنشط بالتربيوم (للشاشات الخضراء)، وأكسيد كبريتيد الإيتريوم المنشط بالتربيوم. بالمقارنة مع تنغستات الكالسيوم، فإن مسحوق الفلورسنت الأرضي النادر يمكنه تقليل وقت تشعيع الأشعة السينية للمرضى بنسبة 80%، وتحسين دقة أفلام الأشعة السينية، وإطالة عمر أنابيب الأشعة السينية، وتقليل استهلاك الطاقة. يستخدم التيربيوم أيضًا كمنشط لمسحوق الفلورسنت لشاشات تحسين الأشعة السينية الطبية، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير حساسية تحويل الأشعة السينية إلى صور بصرية، وتحسين وضوح أفلام الأشعة السينية، وتقليل جرعة التعرض للأشعة السينية بشكل كبير. الأشعة إلى جسم الإنسان (بنسبة تزيد عن 50%).

تيربيوميستخدم أيضًا كمنشط في فوسفور LED الأبيض المثار بالضوء الأزرق لإضاءة أشباه الموصلات الجديدة. يمكن استخدامه لإنتاج فوسفور كريستال مغناطيسي من الألومنيوم التيربيوم، باستخدام الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق كمصادر للضوء المثير، ويتم خلط الفلورة المتولدة مع ضوء الإثارة لإنتاج ضوء أبيض نقي.

تشتمل المواد المتألقة كهربائيًا المصنوعة من التيربيوم بشكل أساسي على مسحوق الفلورسنت الأخضر من كبريتيد الزنك مع التيربيوم كمنشط. تحت الأشعة فوق البنفسجية، يمكن لمجمعات التيربيوم العضوية أن تنبعث منها مضان أخضر قوي ويمكن استخدامها كمواد رقيقة للإضاءة الكهربائية. على الرغم من إحراز تقدم كبير في دراسة الأغشية الرقيقة المضيئة كهربائيًا المعقدة العضوية الأرضية النادرة، إلا أنه لا تزال هناك فجوة معينة من التطبيق العملي، ولا تزال الأبحاث حول الأغشية الرقيقة والأجهزة العضوية المعقدة العضوية الأرضية النادرة متعمقة.

تُستخدم أيضًا خصائص مضان التيربيوم كتحقيقات مضان. تمت دراسة التفاعل بين مركب أوفلوكساسين تربيوم (Tb3+) والحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) باستخدام أطياف التألق والامتصاص، مثل مسبار مضان أوفلوكساسين تربيوم (Tb3+). أظهرت النتائج أن مسبار أوفلوكساسين Tb3 + يمكن أن يشكل أخدودًا مرتبطًا بجزيئات الحمض النووي، ويمكن للحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين أن يعزز بشكل كبير فلورة نظام أوفلوكساسين Tb3 +. وبناء على هذا التغيير يمكن تحديد حمض الديوكسي ريبونوكلييك.

للمواد الضوئية المغناطيسية

تُستخدم المواد ذات تأثير فاراداي، والمعروفة أيضًا بالمواد المغناطيسية الضوئية، على نطاق واسع في أجهزة الليزر والأجهزة البصرية الأخرى. هناك نوعان شائعان من المواد الضوئية المغناطيسية: بلورات مغناطيسية بصرية وزجاج بصري مغناطيسي. من بينها، تتمتع البلورات المغناطيسية الضوئية (مثل عقيق حديد الإيتريوم وعقيق تيربيوم الغاليوم) بمزايا تردد التشغيل القابل للتعديل والاستقرار الحراري العالي، ولكنها باهظة الثمن ويصعب تصنيعها. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع العديد من البلورات المغناطيسية الضوئية ذات زوايا دوران فاراداي العالية بامتصاص عالي في نطاق الموجات القصيرة، مما يحد من استخدامها. بالمقارنة مع البلورات المغناطيسية الضوئية، يتمتع الزجاج البصري المغناطيسي بميزة النفاذية العالية ومن السهل تحويله إلى كتل أو ألياف كبيرة. في الوقت الحاضر، النظارات المغناطيسية الضوئية ذات تأثير فاراداي العالي هي في الأساس نظارات مخدرة بالأيونات الأرضية النادرة.

تستخدم لمواد التخزين الضوئية المغناطيسية

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع للوسائط المتعددة وأتمتة المكاتب، تزايد الطلب على الأقراص المغناطيسية الجديدة ذات السعة العالية. تم استخدام الأغشية الرقيقة من سبائك معدن التيربيوم الانتقالية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية ضوئية عالية الأداء. من بينها، الفيلم الرقيق المصنوع من سبائك TbFeCo لديه أفضل أداء. تم إنتاج المواد المغناطيسية الضوئية القائمة على التيربيوم على نطاق واسع، وتستخدم الأقراص المغناطيسية الضوئية المصنوعة منها كمكونات تخزين للكمبيوتر، مع زيادة سعة التخزين بمقدار 10-15 مرة. فهي تتمتع بمزايا السعة الكبيرة وسرعة الوصول السريعة، ويمكن مسحها وتغليفها عشرات الآلاف من المرات عند استخدامها للأقراص الضوئية عالية الكثافة. وهي مواد مهمة في تكنولوجيا تخزين المعلومات الإلكترونية. المادة المغناطيسية الضوئية الأكثر استخدامًا في النطاقات المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء هي بلورة Terbium Gallium Garnet (TGG) المفردة، وهي أفضل مادة مغناطيسية بصرية لصنع دوارات وعوازل فاراداي.

للزجاج البصري المغناطيسي

يتمتع زجاج فاراداي المغناطيسي المغناطيسي بشفافية جيدة وتباين الخواص في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء، ويمكن أن يشكل أشكالًا معقدة مختلفة. من السهل إنتاج منتجات كبيرة الحجم ويمكن سحبها إلى الألياف الضوئية. ولذلك، فإن لديها آفاق تطبيق واسعة في الأجهزة الضوئية الممغنطة مثل العوازل الضوئية الممغنطة، والمعدلات الضوئية الممغنطة، وأجهزة استشعار تيار الألياف الضوئية. نظرًا للعزم المغناطيسي الكبير ومعامل الامتصاص الصغير في النطاق المرئي والأشعة تحت الحمراء، أصبحت أيونات Tb3+ أيونات أرضية نادرة شائعة الاستخدام في النظارات البصرية المغناطيسية.

تيربيوم ديسبروسيوم سبيكة حديدية مقيدة للمغناطيسية

في نهاية القرن العشرين، ومع التعمق المستمر للثورة التكنولوجية العالمية، ظهرت بسرعة مواد جديدة لتطبيقات الأتربة النادرة. في عام 1984، تعاونت جامعة ولاية آيوا، ومختبر أميس التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، ومركز أبحاث الأسلحة السطحية التابع للبحرية الأمريكية (الذي جاء منه الموظفون الرئيسيون في شركة Edge Technology Corporation (ET REMA) التي تم إنشاؤها لاحقًا) لتطوير سلاح جديد نادر. مادة الأرض الذكية، وهي مادة التيربيوم الديسبروسيوم المغناطيسية المغناطيسية. تتميز هذه المادة الذكية الجديدة بخصائص ممتازة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية بسرعة. تم بنجاح تكوين محولات الطاقة تحت الماء والكهربائية الصوتية المصنوعة من هذه المادة العملاقة ذات التأثير المغناطيسي في المعدات البحرية، ومكبرات الصوت للكشف عن آبار النفط، وأنظمة التحكم في الضوضاء والاهتزازات، واستكشاف المحيطات وأنظمة الاتصالات تحت الأرض. لذلك، بمجرد ظهور مادة التقبيق المغناطيسي العملاقة التيربيوم ديسبروسيوم الحديد، حظيت باهتمام واسع النطاق من الدول الصناعية حول العالم. بدأت شركة Edge Technologies في الولايات المتحدة في إنتاج مواد التقبيق المغناطيسي العملاقة لديسبروسيوم حديد التيربيوم في عام 1989 وأطلقت عليها اسم Terfenol D. وفي وقت لاحق، طورت السويد واليابان وروسيا والمملكة المتحدة وأستراليا أيضًا مواد تقبُّض مغناطيسي عملاقة لديسبروسيوم حديد التربيوم.

من تاريخ تطور هذه المادة في الولايات المتحدة، يرتبط اختراع المادة وتطبيقاتها الاحتكارية المبكرة ارتباطًا مباشرًا بالصناعة العسكرية (مثل البحرية). على الرغم من أن الإدارات العسكرية والدفاعية الصينية تعمل تدريجياً على تعزيز فهمها لهذه المواد. ومع ذلك، مع التعزيز الكبير للقوة الوطنية الشاملة للصين، فإن الطلب على تحقيق استراتيجية تنافسية عسكرية للقرن الحادي والعشرين وتحسين مستويات المعدات سيكون بالتأكيد أمرًا ملحًا للغاية. ولذلك، فإن الاستخدام الواسع النطاق لمواد التقبب المغناطيسي العملاقة للديسبروسيوم الحديدي من قبل إدارات الدفاع العسكرية والوطنية سيكون ضرورة تاريخية.

باختصار، العديد من الخصائص الممتازة لتيربيوممما جعله عضوًا لا غنى عنه في العديد من المواد الوظيفية ومكانة لا يمكن الاستغناء عنها في بعض مجالات التطبيق. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع سعر التيربيوم، كان الناس يدرسون كيفية تجنب استخدام التيربيوم وتقليله من أجل تقليل تكاليف الإنتاج. على سبيل المثال، يجب أيضًا أن تستخدم المواد الأرضية المغناطيسية الضوئية النادرة كوبالت حديد الديسبروسيوم أو كوبالت الجادولينيوم تيربيوم منخفض التكلفة قدر الإمكان؛ حاول تقليل محتوى التيربيوم في مسحوق الفلورسنت الأخضر الذي يجب استخدامه. أصبح السعر عاملاً مهمًا يقيد الاستخدام الواسع النطاق للتربيوم. لكن العديد من المواد الوظيفية لا يمكن الاستغناء عنها، لذلك علينا الالتزام بمبدأ "استخدام الفولاذ الجيد على الشفرة" ومحاولة توفير استخدام التيربيوم قدر الإمكان.