Γαδολίνιο: Το πιο κρύο μέταλλο στον κόσμο

Γαδολίνιο, στοιχείο 64 του περιοδικού πίνακα.

Οι λανθανίδες στον περιοδικό πίνακα είναι μια μεγάλη οικογένεια και οι χημικές τους ιδιότητες μοιάζουν πολύ μεταξύ τους, επομένως είναι δύσκολο να τις διαχωριστούν. Το 1789, ο Φινλανδός χημικός John Gadolin έλαβε ένα οξείδιο μετάλλου και ανακάλυψε το πρώτο οξείδιο σπάνιων γαιών -Οξείδιο του υττρίου (III).μέσω ανάλυσης, ανοίγοντας την ιστορία ανακάλυψης στοιχείων σπάνιων γαιών. Το 1880, ο Σουηδός επιστήμονας Demeriak ανακάλυψε δύο νέα στοιχεία, ένα από τα οποία αργότερα επιβεβαιώθηκε ότι ήτανσαμάριο, και το άλλο αναγνωρίστηκε επίσημα ως νέο στοιχείο, το γαδολίνιο, αφού καθαρίστηκε από τον Γάλλο χημικό Debuwa Bodeland.

Το στοιχείο γαδολίνιο προέρχεται από μετάλλευμα γαδολινίου πυριτίου βηρυλλίου, το οποίο είναι φθηνό, μαλακό στην υφή, καλό σε ολκιμότητα, μαγνητικό σε θερμοκρασία δωματίου και είναι ένα σχετικά ενεργό στοιχείο σπάνιων γαιών. Είναι σχετικά σταθερό στον ξηρό αέρα, αλλά χάνει τη λάμψη του στην υγρασία, σχηματίζοντας χαλαρή και εύκολα αποσπώμενη νιφάδα σαν λευκά οξείδια. Όταν καίγεται στον αέρα, μπορεί να δημιουργήσει λευκά οξείδια. Το γαδολίνιο αντιδρά αργά με το νερό και μπορεί να διαλυθεί σε οξύ για να σχηματίσει άχρωμα άλατα. Οι χημικές του ιδιότητες είναι πολύ παρόμοιες με άλλες λανθανίδες, αλλά οι οπτικές και μαγνητικές του ιδιότητες είναι ελαφρώς διαφορετικές. Το γαδολίνιο είναι παραμαγνητισμός σε θερμοκρασία δωματίου και σιδηρομαγνητικό μετά την ψύξη. Τα χαρακτηριστικά του μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση των μόνιμων μαγνητών.

Χρησιμοποιώντας τον παραμαγνητισμό του γαδολινίου, ο παράγοντας γαδολίνιο που παράγεται έχει γίνει ένας καλός παράγοντας αντίθεσης για NMR. Έχει ξεκινήσει η αυτο-έρευνα της τεχνολογίας απεικόνισης πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και έχουν απονεμηθεί 6 βραβεία Νόμπελ σχετικά με αυτήν. Ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός προκαλείται κυρίως από την περιστροφική κίνηση των ατομικών πυρήνων και η περιστροφική κίνηση διαφορετικών ατομικών πυρήνων ποικίλλει. Με βάση τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από διαφορετική εξασθένηση σε διαφορετικά δομικά περιβάλλοντα, μπορεί να προσδιοριστεί η θέση και ο τύπος των ατομικών πυρήνων που απαρτίζουν αυτό το αντικείμενο και να σχεδιαστεί η εσωτερική δομική εικόνα του αντικειμένου. Υπό τη δράση ενός μαγνητικού πεδίου, το σήμα της τεχνολογίας απεικόνισης πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού προέρχεται από το σπιν ορισμένων ατομικών πυρήνων, όπως οι πυρήνες υδρογόνου στο νερό. Ωστόσο, αυτοί οι πυρήνες με δυνατότητα περιστροφής θερμαίνονται στο πεδίο μαγνητικού συντονισμού ραδιοσυχνοτήτων, παρόμοιο με έναν φούρνο μικροκυμάτων, που συνήθως αποδυναμώνει το σήμα της τεχνολογίας απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού. Το ιόν γαδολίνιο όχι μόνο έχει μια πολύ ισχυρή μαγνητική ροπή Spin, η οποία βοηθά το σπιν του ατομικού πυρήνα, βελτιώνει την πιθανότητα αναγνώρισης του άρρωστου ιστού, αλλά επίσης διατηρεί ως εκ θαύματος δροσερό. Ωστόσο, το γαδολίνιο έχει ορισμένη τοξικότητα και στην ιατρική, χηλικοί συνδετήρες χρησιμοποιούνται για την ενθυλάκωση ιόντων γαδολίνιου για να αποτρέψουν την είσοδο τους στους ανθρώπινους ιστούς.

Το γαδολίνιο έχει ισχυρή μαγνητοθερμιδική επίδραση σε θερμοκρασία δωματίου και η θερμοκρασία του ποικίλλει ανάλογα με την ένταση του μαγνητικού πεδίου, γεγονός που δημιουργεί μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή - μαγνητική ψύξη. Κατά τη διαδικασία ψύξης, λόγω του προσανατολισμού του μαγνητικού διπόλου, το μαγνητικό υλικό θα θερμανθεί κάτω από ένα ορισμένο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Όταν αφαιρεθεί και μονωθεί το μαγνητικό πεδίο, η θερμοκρασία του υλικού μειώνεται. Αυτό το είδος μαγνητικής ψύξης μπορεί να μειώσει τη χρήση ψυκτικών όπως το φρέον και να κρυώσει γρήγορα. Επί του παρόντος, ο κόσμος προσπαθεί να αναπτύξει την εφαρμογή του γαδολινίου και των κραμάτων του σε αυτό το πεδίο και να παράγει ένα μικρό και αποτελεσματικό μαγνητικό ψυγείο. Με τη χρήση του γαδολινίου, μπορούν να επιτευχθούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, επομένως το γαδολίνιο είναι επίσης γνωστό ως το «πιο κρύο μέταλλο στον κόσμο».

Τα ισότοπα γαδολινίου Gd-155 και Gd-157 έχουν τη μεγαλύτερη διατομή απορρόφησης θερμικών νετρονίων μεταξύ όλων των φυσικών ισοτόπων και μπορούν να χρησιμοποιήσουν μικρή ποσότητα γαδολίνιου για τον έλεγχο της κανονικής λειτουργίας των πυρηνικών αντιδραστήρων. Έτσι, γεννήθηκαν αντιδραστήρες ελαφρού νερού με βάση το γαδολίνιο και η ράβδος ελέγχου γαδολινίου, που μπορούν να βελτιώσουν την ασφάλεια των πυρηνικών αντιδραστήρων μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος.

Το γαδολίνιο έχει επίσης εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή οπτικών απομονωτών, παρόμοιων με τις διόδους σε κυκλώματα, γνωστές και ως δίοδοι εκπομπής φωτός. Αυτός ο τύπος διόδου εκπομπής φωτός όχι μόνο επιτρέπει στο φως να περάσει προς μία κατεύθυνση, αλλά εμποδίζει επίσης την αντανάκλαση των ηχών στην οπτική ίνα, διασφαλίζοντας την καθαρότητα της μετάδοσης οπτικού σήματος και βελτιώνοντας την απόδοση μετάδοσης των κυμάτων φωτός. Ο γρανάτης γαλλίου γαδολίνιο είναι ένα από τα καλύτερα υλικά υποστρώματος για την κατασκευή οπτικών απομονωτών.