گادولینیوم: سردترین فلز جهان

گادولینیوم، عنصر 64 جدول تناوبی.

لانتانیدها در جدول تناوبی یک خانواده بزرگ هستند و خواص شیمیایی آنها بسیار شبیه به یکدیگر است، بنابراین جدا کردن آنها دشوار است. در سال 1789، جان گادولین شیمیدان فنلاندی یک اکسید فلزی به دست آورد و اولین اکسید خاکی کمیاب را کشف کرد.اکسید ایتریوم (III).از طریق تجزیه و تحلیل، باز کردن تاریخچه کشف عناصر کمیاب خاکی. در سال 1880، دانشمند سوئدی Demeriak دو عنصر جدید را کشف کرد که بعدها تایید شد که یکی از آنها وجود دارد.ساماریومو دیگری پس از خالص سازی توسط شیمیدان فرانسوی Debuwa Bodeland رسماً به عنوان یک عنصر جدید به نام gadolinium شناخته شد.

عنصر گادولینیوم از سنگ معدن گادولینیم سیلیکون بریلیم نشأت می گیرد که ارزان، بافت نرم، شکل پذیری خوب، در دمای اتاق مغناطیسی است و یک عنصر خاکی کمیاب نسبتا فعال است. در هوای خشک نسبتاً پایدار است، اما درخشندگی خود را در رطوبت از دست می دهد و پوسته های شل و به راحتی جدا می شود مانند اکسیدهای سفید. هنگامی که در هوا می سوزد، می تواند اکسیدهای سفید تولید کند. گادولینیوم به آرامی با آب واکنش می دهد و می تواند در اسید حل شود و نمک های بی رنگ را تشکیل دهد. خواص شیمیایی آن بسیار شبیه به سایر لانتانیدها است، اما خواص نوری و مغناطیسی آن کمی متفاوت است. گادولینیوم در دمای اتاق پارامغناطیس و پس از سرد شدن فرومغناطیس است. از ویژگی های آن می توان برای بهبود آهنرباهای دائمی استفاده کرد.

با استفاده از پارامغناطیس گادولینیوم، عامل گادولینیوم تولید شده به یک ماده کنتراست خوب برای NMR تبدیل شده است. تحقیقات خود درباره فناوری تصویربرداری تشدید مغناطیسی هسته ای آغاز شده است و 6 جایزه نوبل مربوط به آن وجود دارد. رزونانس مغناطیسی هسته ای عمدتاً توسط حرکت اسپین هسته های اتمی ایجاد می شود و حرکت چرخشی هسته های مختلف اتمی متفاوت است. بر اساس امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از میرایی های مختلف در محیط های ساختاری مختلف، می توان موقعیت و نوع هسته های اتمی تشکیل دهنده این جسم را تعیین کرد و تصویر ساختاری داخلی جسم را ترسیم کرد. تحت عمل میدان مغناطیسی، سیگنال فناوری تصویربرداری تشدید مغناطیسی هسته ای از چرخش هسته های اتمی خاص مانند هسته های هیدروژن در آب می آید. با این حال، این هسته‌های دارای قابلیت چرخش در میدان RF تشدید مغناطیسی، مشابه اجاق‌های مایکروویو، گرم می‌شوند که به طور معمول سیگنال فناوری تصویربرداری تشدید مغناطیسی را ضعیف می‌کند. یون گادولینیوم نه تنها دارای یک گشتاور مغناطیسی اسپین بسیار قوی است که به چرخش هسته اتم کمک می کند، احتمال تشخیص بافت بیمار را بهبود می بخشد، بلکه به طور معجزه آسایی خنک نگه می دارد. با این حال، گادولینیوم دارای سمیت خاصی است و در پزشکی، لیگاندهای کیلیت برای کپسوله کردن یون‌های گادولینیوم برای جلوگیری از ورود آنها به بافت‌های انسانی استفاده می‌شود.

گادولینیوم دارای اثر مغناطیسی کالری قوی در دمای اتاق است و دمای آن با شدت میدان مغناطیسی تغییر می کند که کاربرد جالبی را به همراه دارد - تبرید مغناطیسی. در طی فرآیند تبرید، به دلیل جهت گیری دوقطبی مغناطیسی، ماده مغناطیسی تحت یک میدان مغناطیسی خارجی خاص گرم می شود. هنگامی که میدان مغناطیسی حذف و عایق بندی می شود، دمای مواد کاهش می یابد. این نوع خنک کننده مغناطیسی می تواند استفاده از مبردهایی مانند فریون را کاهش دهد و به سرعت خنک شود. در حال حاضر دنیا در تلاش است تا کاربرد گادولینیوم و آلیاژهای آن را در این زمینه توسعه دهد و یک خنک کننده مغناطیسی کوچک و کارآمد تولید کند. با استفاده از گادولینیوم می توان به دمای بسیار پایین دست یافت، بنابراین گادولینیوم به عنوان "سردترین فلز در جهان" نیز شناخته می شود.

ایزوتوپ‌های گادولینیم Gd-155 و Gd-157 دارای بیشترین سطح مقطع جذب نوترون حرارتی در بین تمام ایزوتوپ‌های طبیعی هستند و می‌توانند از مقدار کمی گادولینیوم برای کنترل عملکرد طبیعی راکتورهای هسته‌ای استفاده کنند. بنابراین، راکتورهای آب سبک مبتنی بر گادولینیوم و میله کنترل گادولینیوم متولد شدند که می تواند ایمنی راکتورهای هسته ای را بهبود بخشد و هزینه ها را کاهش دهد.

گادولینیوم همچنین دارای خواص نوری عالی است و می توان از آن برای ساخت عایق های نوری، مشابه دیودهای موجود در مدارها، که به عنوان دیودهای ساطع کننده نور نیز شناخته می شوند، استفاده کرد. این نوع دیود ساطع کننده نور نه تنها اجازه عبور نور را در یک جهت می دهد، بلکه بازتاب پژواک در فیبر نوری را نیز مسدود می کند و خلوص انتقال سیگنال نوری را تضمین می کند و راندمان انتقال امواج نور را بهبود می بخشد. گارنت گادولینیم گالیوم یکی از بهترین مواد بستر برای ساخت جدا کننده های نوری است.