مواد نظامی خاکی کمیاب - تربیوم خاکی کمیاب

عناصر خاکی کمیاببرای توسعه فناوری های پیشرفته مانند انرژی ها و مواد جدید ضروری هستند و دارای ارزش کاربردی گسترده ای در زمینه هایی مانند هوافضا، دفاع ملی و صنایع نظامی هستند. نتایج جنگ‌های مدرن نشان می‌دهد که سلاح‌های خاکی کمیاب بر میدان جنگ تسلط دارند، مزیت‌های فناوری خاکی کمیاب نشان‌دهنده برتری‌های فن‌آوری نظامی و داشتن منابع تضمین شده است. بنابراین، خاک‌های کمیاب نیز به منابع استراتژیک تبدیل شده‌اند که اقتصادهای بزرگ در سراسر جهان برای آن رقابت می‌کنند، و استراتژی‌های کلیدی مواد خام مانند خاک‌های کمیاب اغلب به استراتژی‌های ملی تبدیل می‌شوند. اروپا، ژاپن، ایالات متحده و سایر کشورها و مناطق توجه بیشتری به مواد کلیدی مانند خاک کمیاب دارند. در سال 2008، مواد خاکی کمیاب به عنوان "استراتژی مواد کلیدی" توسط وزارت انرژی ایالات متحده فهرست شد. در آغاز سال 2010، اتحادیه اروپا اعلام کرد که یک ذخیره استراتژیک از خاکهای کمیاب ایجاد می کند. در سال 2007، وزارت آموزش، فرهنگ، علم و فناوری ژاپن، و همچنین وزارت اقتصاد، صنعت و فناوری، پیش از این طرح «برنامه استراتژی عناصر» و «مواد جایگزین فلزات کمیاب» را پیشنهاد کرده بودند. آنها اقدامات و سیاست های مستمری را در زمینه ذخایر منابع، پیشرفت تکنولوژیک، دستیابی به منابع و جستجوی مواد جایگزین اتخاذ کرده اند. با شروع از این مقاله، ویراستار به طور مفصل مأموریت‌ها و نقش‌های توسعه تاریخی مهم و حتی ضروری این عناصر خاکی کمیاب را معرفی می‌کند.

تربیوم متعلق به دسته خاک‌های کمیاب سنگین است، با فراوانی کم در پوسته زمین تنها 1.1 ppm.اکسید تربیومکمتر از 0.01 درصد از کل خاک های کمیاب را تشکیل می دهد. حتی در سنگ معدن خاکی کمیاب سنگین از نوع یون ایتریم بالا با بالاترین محتوای تربیوم، محتوای تربیوم تنها 1.1-1.2٪ از کل خاک کمیاب را تشکیل می دهد، که نشان می دهد که به دسته "نجیب" عناصر خاکی کمیاب تعلق دارد. تربیوم یک فلز خاکستری نقره ای با شکل پذیری و بافت نسبتا نرم است که می توان آن را با چاقو باز کرد. نقطه ذوب 1360 ℃، نقطه جوش 3123 ℃، چگالی 8229 4kg/m3. برای بیش از 100 سال از زمان کشف تربیوم در سال 1843، کمیاب بودن و ارزش آن مانع از کاربرد عملی آن برای مدت طولانی شده است. تنها در 30 سال گذشته است که تربیوم استعداد منحصر به فرد خود را نشان داده است.

کشف تربیوم

در همان دوره ای کهلانتانیمکارل جی. موساندر از سوئد کشف شدایتریمو گزارشی را در سال 1842 منتشر کرد و توضیح داد که زمین ایتریومی که در ابتدا کشف شد، یک اکسید عنصری واحد نبود، بلکه اکسیدی از سه عنصر بود. در سال 1843، موساندر عنصر تربیوم را با تحقیقات خود بر روی زمین ایتریوم کشف کرد. او هنوز یکی از آنها را ایتریوم ارت و یکی از آنها نامیداکسید اربیوم. تا سال 1877 بود که رسما تربیوم با نماد عنصر Tb نامگذاری شد. نامگذاری آن از همان منبع ایتریوم گرفته شده است که از روستای ایتربی در نزدیکی استکهلم سوئد، جایی که برای اولین بار سنگ معدن ایتریم کشف شد، سرچشمه گرفته است. کشف تربیوم و دو عنصر دیگر، لانتانیم و اربیوم، دریچه دوم را برای کشف عناصر کمیاب خاکی باز کرد و مرحله دوم کشف آنها را رقم زد. اولین بار توسط G. Urban در سال 1905 تصفیه شد.

موساندر

کاربرد تربیوم

کاربرد ازتربیومبیشتر شامل زمینه‌های با فناوری پیشرفته است، که پروژه‌های پیشرفته فناوری‌بر و دانش‌محور هستند، و همچنین پروژه‌هایی با مزایای اقتصادی قابل توجه، با چشم‌انداز توسعه جذاب. زمینه های اصلی کاربرد عبارتند از: (1) استفاده در قالب خاک های کمیاب مخلوط. به عنوان مثال، به عنوان کود ترکیبی خاکی کمیاب و افزودنی خوراک برای کشاورزی استفاده می شود. (2) فعال کننده پودر سبز در سه پودر فلورسنت اولیه. مواد نوری مدرن نیاز به استفاده از سه رنگ اصلی فسفر یعنی قرمز، سبز و آبی دارند که می توان از آنها برای سنتز رنگ های مختلف استفاده کرد. و تربیوم یک جزء ضروری در بسیاری از پودرهای فلورسنت سبز با کیفیت بالا است. (3) به عنوان یک ماده ذخیره سازی نوری مغناطیسی استفاده می شود. لایه‌های نازک آلیاژ فلز واسطه تربیوم فلزی آمورف برای تولید دیسک‌های نوری مغناطیسی با کارایی بالا استفاده شده‌اند. (4) ساخت شیشه نوری مغناطیسی. شیشه چرخشی فارادی حاوی تربیوم یک ماده کلیدی برای ساخت روتاتورها، جداسازها و سیرکولاتورها در فناوری لیزر است. (5) توسعه و توسعه آلیاژ فرو مغناطیسی تربیوم دیسپروزیم (TerFenol) کاربردهای جدیدی را برای تربیوم باز کرده است.

 برای کشاورزی و دامپروری

تربیوم خاکی کمیابمی تواند کیفیت محصولات را بهبود بخشد و سرعت فتوسنتز را در محدوده غلظت مشخصی افزایش دهد. کمپلکس‌های تربیوم دارای فعالیت بیولوژیکی بالایی هستند و کمپلکس‌های سه‌گانه تربیوم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O دارای اثرات ضد باکتریایی و باکتری‌کشی خوبی بر روی استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس و اشرشیاکلی با طیف وسیع ضدباکتری هستند. خواص مطالعه این مجتمع ها یک جهت تحقیقاتی جدید برای داروهای ضد باکتری مدرن ارائه می دهد.

در زمینه لومینسانس استفاده می شود

مواد نوری مدرن نیاز به استفاده از سه رنگ اصلی فسفر یعنی قرمز، سبز و آبی دارند که می توان از آنها برای سنتز رنگ های مختلف استفاده کرد. و تربیوم یک جزء ضروری در بسیاری از پودرهای فلورسنت سبز با کیفیت بالا است. اگر تولد پودر فلورسنت قرمز تلویزیون رنگی خاکی کمیاب تقاضا برای ایتریوم و یوروپیوم را تحریک کرده باشد، پس کاربرد و توسعه تربیوم توسط پودر فلورسنت سبز سه رنگ اصلی خاکی کمیاب برای لامپ ها ترویج شده است. در اوایل دهه 1980، فیلیپس اولین لامپ فلورسنت کم مصرف در جهان را اختراع کرد و به سرعت آن را در سطح جهانی معرفی کرد. یون‌های Tb3+ می‌توانند نور سبز با طول موج 545 نانومتر ساطع کنند و تقریباً همه پودرهای فلورسنت سبز خاکی کمیاب از تربیوم به عنوان یک فعال‌کننده استفاده می‌کنند.

پودر فلورسنت سبز مورد استفاده برای لوله های پرتو کاتدی تلویزیون رنگی (CRTs) همیشه عمدتاً مبتنی بر سولفید روی ارزان و کارآمد بوده است، اما پودر تربیوم همیشه به عنوان پودر سبز تلویزیون رنگی مانند Y2SiO5: Tb3+، Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، و LaOBr: Tb3+. با توسعه تلویزیون با وضوح بالا با صفحه نمایش بزرگ (HDTV)، پودرهای فلورسنت سبز با کارایی بالا برای CRT نیز در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، یک پودر فلورسنت سبز ترکیبی در خارج از کشور تولید شده است که شامل Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، LaOCl: Tb3+، و Y2SiO5: Tb3+ است که دارای راندمان لومینسانس عالی در چگالی جریان بالا هستند.

پودر فلورسنت اشعه ایکس سنتی تنگستات کلسیم است. در دهه‌های 1970 و 1980، پودرهای فلورسنت خاکی کمیاب برای صفحه‌های حساس‌سازی، مانند اکسید سولفید لانتانیم فعال‌شده با تربیوم، اکسید لانتانیم برومید فعال‌شده با تربیوم (برای نمایشگرهای سبز)، و اکسید سولفید ایتریم فعال‌شده با تربیوم، تولید شدند. در مقایسه با تنگستات کلسیم، پودر فلورسنت خاکی کمیاب می تواند زمان تابش اشعه ایکس را برای بیماران تا 80٪ کاهش دهد، وضوح فیلم های اشعه ایکس را بهبود بخشد، طول عمر لوله های اشعه ایکس را افزایش دهد و مصرف انرژی را کاهش دهد. تربیوم همچنین به عنوان یک فعال کننده پودر فلورسنت برای صفحه نمایش های تقویت کننده اشعه ایکس پزشکی استفاده می شود که می تواند حساسیت تبدیل اشعه ایکس به تصاویر نوری را تا حد زیادی بهبود بخشد، شفافیت فیلم های اشعه ایکس را بهبود بخشد و دوز نوردهی X-را تا حد زیادی کاهش دهد. اشعه به بدن انسان (بیش از 50٪).

تربیومهمچنین به عنوان یک فعال کننده در فسفر LED سفید برانگیخته شده توسط نور آبی برای روشنایی نیمه هادی جدید استفاده می شود. می توان از آن برای تولید فسفرهای کریستال نوری مگنتو آلومینیوم تربیوم با استفاده از دیودهای ساطع کننده نور آبی به عنوان منابع نور تحریک استفاده کرد و فلورسانس تولید شده با نور تحریک مخلوط می شود تا نور سفید خالص تولید شود.

مواد الکترولومینسانس ساخته شده از تربیوم عمدتا شامل پودر فلورسنت سبز سولفید روی با تربیوم به عنوان فعال کننده است. تحت تابش فرابنفش، کمپلکس‌های آلی تربیوم می‌توانند فلورسانس سبز قوی منتشر کنند و می‌توانند به عنوان مواد الکترولومینسانس فیلم نازک استفاده شوند. اگرچه پیشرفت قابل توجهی در مطالعه لایه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب حاصل شده است، هنوز فاصله خاصی از عملی بودن وجود دارد و تحقیقات در مورد فیلم‌ها و دستگاه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب هنوز در عمق است.

از ویژگی های فلورسانس تربیوم به عنوان پروب های فلورسانس نیز استفاده می شود. برهمکنش بین کمپلکس افلوکساسین تربیوم (Tb3+) و دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) با استفاده از طیف‌های فلورسانس و جذب، مانند پروب فلورسانس افلوکساسین تربیوم (Tb3+) مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که پروب افلوکساسین Tb3+ می‌تواند یک شیار اتصال با مولکول‌های DNA ایجاد کند و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک می‌تواند به طور قابل‌توجهی فلورسانس سیستم Tb3 + افلوکساسین را افزایش دهد. بر اساس این تغییر می توان اسید دئوکسی ریبونوکلئیک را تعیین کرد.

برای مواد نوری مغناطیسی

مواد با اثر فارادی که به عنوان مواد مغناطیسی نوری نیز شناخته می شوند، به طور گسترده در لیزرها و سایر دستگاه های نوری استفاده می شوند. دو نوع متداول از مواد نوری مغناطیسی وجود دارد: کریستال های نوری مغناطیسی و شیشه های نوری مغناطیسی. در میان آنها، کریستال های مغناطیسی نوری (مانند گارنت آهن ایتریوم و گارنت تربیوم گالیوم) دارای مزایای فرکانس کاری قابل تنظیم و پایداری حرارتی بالا هستند، اما ساخت آنها گران و دشوار است. علاوه بر این، بسیاری از کریستال های مغناطیسی نوری با زاویه چرخش فارادی بالا، جذب بالایی در محدوده موج کوتاه دارند که استفاده از آنها را محدود می کند. در مقایسه با کریستال های نوری مغناطیسی، شیشه نوری مغناطیسی دارای مزیت گذرندگی بالا است و به راحتی به بلوک ها یا الیاف بزرگ تبدیل می شود. در حال حاضر، عینک‌های مغناطیسی نوری با اثر فارادی بالا، عمدتاً عینک‌های دوپینگ با یون خاکی کمیاب هستند.

برای مواد ذخیره سازی نوری مغناطیسی استفاده می شود

در سال های اخیر، با توسعه سریع اتوماسیون اداری و چند رسانه ای، تقاضا برای دیسک های مغناطیسی جدید با ظرفیت بالا افزایش یافته است. لایه‌های نازک آلیاژ فلز واسطه تربیوم فلزی آمورف برای تولید دیسک‌های نوری مغناطیسی با کارایی بالا استفاده شده‌اند. در این میان فیلم نازک آلیاژی TbFeCo بهترین عملکرد را دارد. مواد مغناطیسی نوری مبتنی بر تربیوم در مقیاس بزرگ تولید شده اند و دیسک های مغناطیسی نوری ساخته شده از آنها به عنوان اجزای ذخیره سازی رایانه استفاده می شود که ظرفیت ذخیره سازی 10-15 برابر افزایش یافته است. آنها از مزایای ظرفیت زیاد و سرعت دسترسی سریع برخوردارند و می توان ده ها هزار بار در هنگام استفاده برای دیسک های نوری با چگالی بالا پاک و روکش کرد. آنها مواد مهمی در فناوری ذخیره سازی اطلاعات الکترونیکی هستند. متداول ترین ماده مغناطیسی نوری مورد استفاده در باندهای مرئی و نزدیک به فروسرخ، تک کریستال تربیوم گالیوم گارنت (TGG) است که بهترین ماده مغناطیسی نوری برای ساخت روتاتورها و جداکننده های فارادی است.

برای شیشه های نوری مغناطیسی

شیشه نوری مغناطیسی فارادی شفافیت و همسانگردی خوبی در نواحی مرئی و مادون قرمز دارد و می تواند اشکال پیچیده مختلفی را تشکیل دهد. تولید محصولات با اندازه بزرگ آسان است و می توان آن را به فیبرهای نوری کشید. بنابراین، چشم‌اندازهای کاربردی گسترده‌ای در دستگاه‌های نوری مغناطیسی مانند جداکننده‌های نوری مغناطیسی، مدولاتورهای نوری مغناطیسی و حسگرهای جریان فیبر نوری دارد. با توجه به گشتاور مغناطیسی بزرگ و ضریب جذب کوچک آن در محدوده مرئی و مادون قرمز، یون‌های Tb3+ به یون‌های خاکی کمیاب در عینک‌های نوری مغناطیسی تبدیل شده‌اند.

آلیاژ فرو مغناطیسی تربیوم دیسپروزیم

در پایان قرن بیستم، با تعمیق مداوم انقلاب تکنولوژیکی جهانی، مواد کاربردی جدید خاکی کمیاب به سرعت در حال ظهور بودند. در سال 1984، دانشگاه ایالتی آیووا، آزمایشگاه ایمز وزارت انرژی ایالات متحده، و مرکز تحقیقات تسلیحات سطحی نیروی دریایی ایالات متحده (که پرسنل اصلی شرکت فناوری Edge که بعداً تأسیس شد (ET REMA) از آنجا آمدند) برای توسعه یک نایاب جدید همکاری کردند. مواد هوشمند زمین، یعنی مواد مغناطیسی مغناطیسی فرومغناطیسی تربیوم دیسپروزیم. این ماده هوشمند جدید دارای ویژگی های عالی برای تبدیل سریع انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. مبدل های زیر آب و الکتروآکوستیک ساخته شده از این ماده مغناطیسی غول پیکر با موفقیت در تجهیزات دریایی، بلندگوهای تشخیص چاه نفت، سیستم های کنترل نویز و لرزش، و اکتشاف اقیانوس و سیستم های ارتباطی زیرزمینی پیکربندی شده اند. بنابراین، به محض اینکه ماده مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم متولد شد، مورد توجه گسترده کشورهای صنعتی در سراسر جهان قرار گرفت. Edge Technologies در ایالات متحده در سال 1989 شروع به تولید مواد مغناطیس گیر غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم کرد و آنها را ترفنول D نامید. متعاقباً سوئد، ژاپن، روسیه، بریتانیا و استرالیا نیز مواد مغناطیسی گیر غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم را توسعه دادند.

از تاریخچه توسعه این ماده در ایالات متحده، هم اختراع مواد و هم کاربردهای اولیه انحصاری آن به طور مستقیم با صنایع نظامی (مانند نیروی دریایی) مرتبط است. اگرچه ادارات نظامی و دفاعی چین به تدریج درک خود را از این مواد تقویت می کنند. با این حال، با افزایش قابل توجه قدرت ملی جامع چین، تقاضا برای دستیابی به استراتژی رقابتی نظامی قرن 21 و بهبود سطح تجهیزات قطعاً بسیار ضروری خواهد بود. بنابراین، استفاده گسترده از مواد مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم توسط ادارات نظامی و دفاع ملی یک ضرورت تاریخی خواهد بود.

به طور خلاصه، بسیاری از خواص عالی ازتربیومآن را به عضوی ضروری در بسیاری از مواد کاربردی و جایگاهی غیرقابل جایگزین در برخی زمینه های کاربردی تبدیل می کند. با این حال، به دلیل قیمت بالای تربیوم، مردم در حال بررسی چگونگی اجتناب و به حداقل رساندن استفاده از تربیوم به منظور کاهش هزینه های تولید بوده اند. به عنوان مثال، مواد مغناطیسی نوری خاکی کمیاب نیز باید تا حد امکان از کبالت آهن دیسپروزیوم ارزان قیمت یا کبالت گادولینیم تربیوم استفاده کنند. سعی کنید محتوای تربیوم را در پودر فلورسنت سبزی که باید استفاده کنید کاهش دهید. قیمت به یک عامل مهم محدود کننده استفاده گسترده از تربیوم تبدیل شده است. اما بسیاری از مواد کاربردی بدون آن نمی توانند کار کنند، بنابراین ما باید به اصل "استفاده از فولاد خوب روی تیغه" پایبند باشیم و سعی کنیم تا حد ممکن در مصرف تربیوم صرفه جویی کنیم.