هذه المادة الأرضية النادرة لديها إمكانات كبيرة!

المواد النانوية الأرضية النادرة

المواد النانوية الأرضية النادرة تتميز العناصر الأرضية النادرة ببنية إلكترونية فريدة من نوعها من الطبقة الفرعية 4f، وعزم مغناطيسي ذري كبير، واقتران مداري قوي وخصائص أخرى، مما يؤدي إلى خصائص بصرية وكهربائية ومغناطيسية غنية جدًا وغيرها. إنها مواد استراتيجية لا غنى عنها للدول في جميع أنحاء العالم لتحويل الصناعات التقليدية وتطوير التكنولوجيا الفائقة، وتعرف باسم "كنز المواد الجديدة".

بالإضافة إلى تطبيقاته في المجالات التقليدية مثل الآلات المعدنية والبتروكيماويات والسيراميك الزجاجي والمنسوجات الخفيفة،الأتربة النادرةهي أيضًا مواد داعمة رئيسية في المجالات الناشئة مثل الطاقة النظيفة، والمركبات الكبيرة، ومركبات الطاقة الجديدة، وإضاءة أشباه الموصلات، وشاشات العرض الجديدة، المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بحياة الإنسان.

بعد عقود من التطوير، تحول تركيز الأبحاث المتعلقة بالأتربة النادرة في المقابل من صهر وفصل الأتربة النادرة عالية النقاء إلى تطبيقات التكنولوجيا الفائقة للأتربة النادرة في المغناطيسية، والبصريات، والكهرباء، وتخزين الطاقة، والحفز الكيميائي، والطب الحيوي، وغيرها من المجالات. من ناحية، هناك اتجاه أكبر نحو المواد المركبة الأرضية النادرة في نظام المواد؛ من ناحية أخرى، فهو أكثر تركيزًا على المواد البلورية الوظيفية ذات الأبعاد المنخفضة من حيث التشكل. خاصة مع تطور علم النانو الحديث، والجمع بين تأثيرات الحجم الصغير، والتأثيرات الكمومية، والتأثيرات السطحية، وتأثيرات الواجهة للمواد النانوية مع خصائص بنية الطبقة الإلكترونية الفريدة للعناصر الأرضية النادرة، تظهر المواد النانوية الأرضية النادرة العديد من الخصائص الجديدة المختلفة عن المواد التقليدية، مما يزيد من الأداء الممتاز للمواد الأرضية النادرة، وتوسيع نطاق تطبيقها في مجالات المواد التقليدية والتصنيع الجديد عالي التقنية.

في الوقت الحاضر، هناك بشكل أساسي المواد النانوية الأرضية النادرة الواعدة التالية، وهي المواد المضيئة النانوية الأرضية النادرة، والمواد الحفزية النانوية الأرضية النادرة، والمواد المغناطيسية النانوية الأرضية النادرة،نانو أكسيد السيريوممواد التدريع فوق البنفسجية، وغيرها من المواد الوظيفية النانوية.

رقم 1مواد الانارة النانوية الأرضية النادرة

01. المواد النانوية الهجينة العضوية وغير العضوية الأرضية النادرة

تجمع المواد المركبة بين وحدات وظيفية مختلفة على المستوى الجزيئي لتحقيق وظائف تكميلية ومحسنة. تتمتع المواد الهجينة العضوية غير العضوية بوظائف المكونات العضوية وغير العضوية، مما يظهر ثباتًا ميكانيكيًا جيدًا ومرونة واستقرارًا حراريًا وقابلية معالجة ممتازة.

 الأرض النادرةتتمتع المجمعات بالعديد من المزايا، مثل نقاء الألوان العالي، والعمر الطويل للحالة المثارة، والإنتاج الكمي العالي، وخطوط طيف الانبعاث الغنية. يتم استخدامها على نطاق واسع في العديد من المجالات، مثل العرض، وتضخيم الدليل الموجي البصري، وليزر الحالة الصلبة، والعلامات الحيوية، ومكافحة التزييف. ومع ذلك، فإن انخفاض الاستقرار الحراري الضوئي وضعف قابلية المعالجة للمجمعات الأرضية النادرة يعيق بشكل خطير تطبيقها والترويج لها. يعد الجمع بين المجمعات الأرضية النادرة والمصفوفات غير العضوية ذات الخواص الميكانيكية الجيدة والاستقرار طريقة فعالة لتحسين خصائص الانارة للمجمعات الأرضية النادرة.

منذ تطوير المواد الهجينة العضوية غير العضوية الأرضية النادرة، تظهر اتجاهات تطورها الخصائص التالية:

① تحتوي المادة الهجينة التي تم الحصول عليها بطريقة المنشطات الكيميائية على مكونات نشطة مستقرة، وكمية منشطات عالية وتوزيع موحد للمكونات؛

② التحول من مواد وظيفية واحدة إلى مواد متعددة الوظائف، وتطوير مواد متعددة الوظائف لجعل تطبيقاتها أكثر شمولاً؛

③ المصفوفة متنوعة، من السيليكا في المقام الأول إلى ركائز مختلفة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم، والبوليمرات العضوية، والطين، والسوائل الأيونية.

02. مادة الانارة الأرضية النادرة LED البيضاء

بالمقارنة مع تقنيات الإضاءة الحالية، تتمتع منتجات الإضاءة شبه الموصلة مثل الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) بمزايا مثل عمر الخدمة الطويل، وانخفاض استهلاك الطاقة، وكفاءة الإضاءة العالية، وخالية من الزئبق، وخالية من الأشعة فوق البنفسجية، والتشغيل المستقر. تعتبر "مصدر الضوء من الجيل الرابع" بعد المصابيح المتوهجة ومصابيح الفلورسنت ومصابيح تفريغ الغاز عالية القوة (HIDs).

يتكون LED الأبيض من رقائق وركائز وفوسفورات ومحركات. يلعب مسحوق الفلورسنت الأرضي النادر دورًا حاسمًا في أداء مصابيح LED البيضاء. في السنوات الأخيرة، تم إجراء قدر كبير من الأبحاث حول فوسفورات LED البيضاء وتم إحراز تقدم ممتاز:

① تم إجراء تطوير نوع جديد من الفوسفور المثار بواسطة LED الأزرق (460 مترًا) وأبحاث التشويب والتعديل على YAO2Ce (YAG: Ce) المستخدمة في رقائق LED الزرقاء لتحسين كفاءة الإضاءة وتجسيد الألوان؛

② إن تطوير مساحيق الفلورسنت الجديدة المثارة بالأشعة فوق البنفسجية (400 متر) أو الضوء فوق البنفسجي (360 مم) قد درس بشكل منهجي التركيب والبنية والخصائص الطيفية لمساحيق الفلورسنت الأحمر والأخضر والأزرق، بالإضافة إلى النسب المختلفة لمساحيق الفلورسنت الثلاثة للحصول على LED أبيض بدرجات حرارة ألوان مختلفة؛

③ تم تنفيذ المزيد من العمل بشأن القضايا العلمية الأساسية في عملية تحضير مسحوق الفلورسنت، مثل تأثير عملية التحضير على التدفق، لضمان جودة واستقرار مسحوق الفلورسنت.

بالإضافة إلى ذلك، يعتمد الضوء الأبيض LED بشكل رئيسي على عملية تعبئة مختلطة من مسحوق الفلورسنت والسيليكون. بسبب التوصيل الحراري الضعيف لمسحوق الفلورسنت، سوف يسخن الجهاز بسبب وقت العمل الطويل، مما يؤدي إلى شيخوخة السيليكون وتقصير عمر خدمة الجهاز. هذه المشكلة خطيرة بشكل خاص في مصابيح LED ذات الضوء الأبيض عالية الطاقة. التعبئة عن بعد هي إحدى الطرق لحل هذه المشكلة عن طريق ربط مسحوق الفلورسنت بالركيزة وفصله عن مصدر ضوء LED الأزرق، وبالتالي تقليل تأثير الحرارة الناتجة عن الشريحة على أداء الانارة لمسحوق الفلورسنت. إذا كان سيراميك الفلورسنت الأرضي النادر يتميز بخصائص التوصيل الحراري العالي، ومقاومة التآكل العالية، والاستقرار العالي، وأداء الإخراج البصري الممتاز، فيمكنه تلبية متطلبات تطبيق LED الأبيض عالي الطاقة بكثافة طاقة عالية بشكل أفضل. أصبحت مساحيق النانو الدقيقة ذات نشاط التلبيد العالي والتشتت العالي شرطًا أساسيًا مهمًا لإعداد السيراميك الوظيفي البصري الأرضي النادر عالي الشفافية مع أداء إخراج بصري عالي.

 03. المواد النانوية المضيئة لتحويل الأتربة النادرة

 التلألؤ التحويلي هو نوع خاص من عمليات التلألؤ التي تتميز بامتصاص فوتونات متعددة منخفضة الطاقة بواسطة مواد مضيئة وتوليد انبعاث فوتون عالي الطاقة. بالمقارنة مع جزيئات الصبغة العضوية التقليدية أو النقاط الكمومية، تتمتع المواد النانوية الانارة ذات التحويل الأرضي النادرة بالعديد من المزايا مثل التحول الكبير المضاد لستوكس، ونطاق الانبعاث الضيق، والاستقرار الجيد، والسمية المنخفضة، وعمق اختراق الأنسجة العالي، والتداخل الفلوري التلقائي المنخفض. لديهم آفاق تطبيق واسعة في مجال الطب الحيوي.

في السنوات الأخيرة، حققت المواد النانوية الانارة الأرضية النادرة تقدمًا كبيرًا في التوليف وتعديل السطح وتفعيل السطح والتطبيقات الطبية الحيوية. يعمل الأشخاص على تحسين أداء التلألؤ للمواد من خلال تحسين تركيبها وحالة الطور والحجم وما إلى ذلك على مقياس النانو، والجمع بين البنية الأساسية/القشرة لتقليل مركز تبريد التلألؤ، من أجل زيادة احتمالية التحول. عن طريق التعديل الكيميائي، إنشاء تقنيات ذات توافق حيوي جيد لتقليل السمية، وتطوير طرق التصوير للخلايا الحية الانارة التحويلية وفي الجسم الحي؛ تطوير طرق اقتران بيولوجي فعالة وآمنة بناءً على احتياجات التطبيقات المختلفة (خلايا الكشف المناعي، والتصوير الفلوري في الجسم الحي، والعلاج الديناميكي الضوئي، والعلاج الحراري الضوئي، وأدوية الإطلاق التي يتم التحكم فيها بالصور، وما إلى ذلك).

تتمتع هذه الدراسة بإمكانيات تطبيقية هائلة وفوائد اقتصادية، ولها أهمية علمية مهمة لتطوير طب النانو، وتعزيز صحة الإنسان، والتقدم الاجتماعي.

No.2 المواد المغناطيسية الأرضية النادرة

 
لقد مرت المواد المغناطيسية الدائمة الأرضية النادرة بثلاث مراحل تطوير: SmCo5، وSm2Co7، وNd2Fe14B. كمسحوق مغناطيسي NdFeB مروي سريعًا للمواد المغناطيسية الدائمة المرتبطة، يتراوح حجم الحبوب من 20 نانومتر إلى 50 نانومتر، مما يجعله مادة مغناطيس دائمة أرضية نادرة بلورية نانوية نموذجية.

تتميز المواد المغناطيسية الأرضية النادرة بخصائص الحجم الصغير، وبنية المجال الواحد، والإكراه العالي. يمكن أن يؤدي استخدام مواد التسجيل المغناطيسية إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء وجودة الصورة. نظرًا لصغر حجمها وموثوقيتها العالية، يعد استخدامها في أنظمة المحركات الصغيرة اتجاهًا مهمًا لتطوير الجيل الجديد من محركات الطيران والفضاء والمحركات البحرية. بالنسبة للذاكرة المغناطيسية، والسوائل المغناطيسية، والمواد المقاومة للمغناطيسية العملاقة، يمكن تحسين الأداء بشكل كبير، مما يجعل الأجهزة تصبح عالية الأداء ومصغرة.

رقم 3نانو الأرض النادرةالمواد الحفزية

تشتمل المواد الحفزية الأرضية النادرة على جميع التفاعلات التحفيزية تقريبًا. نظرًا للتأثيرات السطحية وتأثيرات الحجم وتأثيرات الحجم الكمي، فقد جذبت تكنولوجيا النانو الأرضية النادرة الاهتمام بشكل متزايد. في العديد من التفاعلات الكيميائية، يتم استخدام المحفزات الأرضية النادرة. إذا تم استخدام المحفزات النانوية الأرضية النادرة، فسيتم تحسين النشاط التحفيزي والكفاءة بشكل كبير.

تُستخدم المحفزات النانوية الأرضية النادرة بشكل عام في التكسير التحفيزي للبترول ومعالجة تنقية عوادم السيارات. المواد التحفيزية النانوية الأرضية النادرة الأكثر استخدامًا هيCeO2ولا2O3، والتي يمكن استخدامها كمحفزات ومحفزات، بالإضافة إلى ناقلات محفزة.

رقم 4أكسيد النانو السيريوممادة التدريع فوق البنفسجية

يُعرف أكسيد السيريوم النانوي بأنه عامل عزل الأشعة فوق البنفسجية من الجيل الثالث، مع تأثير عزل جيد ونفاذية عالية. في مستحضرات التجميل، يجب استخدام نانو سيريا منخفض النشاط التحفيزي كعامل عزل للأشعة فوق البنفسجية. ولذلك، فإن اهتمام السوق والاعتراف بمواد الحماية من الأشعة فوق البنفسجية لأكسيد السيريوم نانو مرتفع. يتطلب التحسين المستمر لتكامل الدوائر المتكاملة مواد جديدة لعمليات تصنيع شرائح الدوائر المتكاملة. المواد الجديدة لديها متطلبات أعلى لسوائل التلميع، وتحتاج سوائل التلميع الأرضية النادرة لأشباه الموصلات إلى تلبية هذا المطلب، مع سرعة تلميع أسرع وحجم تلميع أقل. تتمتع مواد تلميع الأتربة النادرة النانوية بسوق واسعة.

تسببت الزيادة الكبيرة في ملكية السيارات في تلوث الهواء بشكل خطير، ويعتبر تركيب محفزات تنقية عوادم السيارات الطريقة الأكثر فعالية للسيطرة على تلوث العادم. تلعب أكاسيد مركب الزركونيوم النانو السيريوم دورًا مهمًا في تحسين جودة تنقية غاز الذيل.

رقم 5 مواد وظيفية نانو أخرى

01. مواد سيراميك النانو الأرضية النادرة

يمكن لمسحوق السيراميك النانوي أن يقلل بشكل كبير من درجة حرارة التلبيد، وهي أقل بمقدار 200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية من مسحوق السيراميك غير النانوي بنفس التركيبة. إن إضافة nano CeO2 إلى السيراميك يمكن أن يقلل من درجة حرارة التلبيد، ويمنع نمو الشبكة، ويحسن كثافة السيراميك. إضافة العناصر الأرضية النادرة مثلY2O3، سي أو 2, or لا2O3 to زرو2يمكن أن يمنع تحول الطور ذو درجة الحرارة العالية وتقصف ZrO2، ويحصل على مواد هيكلية سيراميكية مقواة بتحول طور ZrO2.

السيراميك الإلكتروني (أجهزة الاستشعار الإلكترونية، مواد PTC، مواد الموجات الدقيقة، المكثفات، الثرمستورات، وما إلى ذلك) المحضرة باستخدام متناهية الصغر أو النانو CeO2، Y2O3،Nd2O3, سم2O3، وما إلى ذلك، وقد حسنت الخصائص الكهربائية والحرارية والاستقرار.

يمكن أن تؤدي إضافة المواد المركبة المحفزة ضوئيًا النادرة إلى تركيبة التزجيج إلى تحضير سيراميك أرضي نادر مضاد للبكتيريا.

02. مواد الأغشية الرقيقة النانوية الأرضية النادرة

 مع تطور العلوم والتكنولوجيا، أصبحت متطلبات الأداء للمنتجات أكثر صرامة، وتتطلب منتجات فائقة الدقة ورقيقة للغاية وعالية الكثافة وملء للغاية. حاليًا، هناك ثلاث فئات رئيسية من أفلام النانو الأرضية النادرة التي تم تطويرها: أفلام النانو الأرضية النادرة المعقدة، وأفلام النانو المصنوعة من أكسيد الأرض النادرة، وأفلام سبائك النانو الأرضية النادرة. تلعب أفلام النانو الأرضية النادرة أيضًا أدوارًا مهمة في صناعة المعلومات والتحفيز والطاقة والنقل وطب الحياة.

خاتمة

الصين دولة كبيرة في الموارد الأرضية النادرة. يعد تطوير وتطبيق المواد الأرضية النادرة النانوية طريقة جديدة للاستفادة الفعالة من موارد الأرض النادرة. من أجل توسيع نطاق تطبيق الأتربة النادرة وتعزيز تطوير مواد وظيفية جديدة، ينبغي إنشاء نظام نظري جديد في نظرية المواد لتلبية احتياجات البحث على مقياس النانو، وجعل المواد النانوية الأرضية النادرة تتمتع بأداء أفضل، وجعل الظهور من الخصائص والوظائف الجديدة الممكنة.