Գադոլինիում: Աշխարհի ամենացուրտ մետաղը

Գադոլինիում, պարբերական համակարգի 64-րդ տարր։

Պարբերական աղյուսակում լանտանիդները մեծ ընտանիք են, և նրանց քիմիական հատկությունները շատ նման են միմյանց, ուստի դժվար է դրանք առանձնացնել: 1789 թվականին ֆինն քիմիկոս Ջոն Գադոլինը ստացավ մետաղի օքսիդ և հայտնաբերեց առաջին հազվագյուտ հողի օքսիդը.Իտրիում (III) օքսիդվերլուծության միջոցով՝ բացելով հազվագյուտ հողային տարրերի հայտնաբերման պատմությունը։ 1880 թվականին շվեդ գիտնական Դեմերյակը հայտնաբերեց երկու նոր տարր, որոնցից մեկը հետագայում հաստատվեց.սամարիում, իսկ մյուսը պաշտոնապես ճանաչվել է որպես նոր տարր՝ գադոլինիում, այն բանից հետո, երբ մաքրվել է ֆրանսիացի քիմիկոս Դեբուվա Բոդելանդի կողմից։

Գադոլինիումի տարրը ծագում է սիլիցիումի բերիլիում գադոլինիումի հանքաքարից, որը էժան է, փափուկ հյուսվածքով, լավ ճկունությամբ, մագնիսական է սենյակային ջերմաստիճանում և համեմատաբար ակտիվ հազվագյուտ հողային տարր է: Այն համեմատաբար կայուն է չոր օդում, բայց խոնավության դեպքում կորցնում է իր փայլը՝ ձևավորելով չամրացված և հեշտությամբ անջատվող փաթիլներ, ինչպիսիք են սպիտակ օքսիդները: Երբ այրվում է օդում, այն կարող է առաջացնել սպիտակ օքսիդներ: Գադոլինիումը դանդաղ է արձագանքում ջրի հետ և կարող է լուծվել թթվի մեջ՝ առաջացնելով անգույն աղեր։ Նրա քիմիական հատկությունները շատ նման են մյուս լանտանիդներին, սակայն նրա օպտիկական և մագնիսական հատկությունները մի փոքր տարբեր են: Գադոլինիումը սենյակային ջերմաստիճանում պարամագնիսական է և սառչելուց հետո ֆերոմագնիսական: Դրա բնութագրերը կարող են օգտագործվել մշտական ​​մագնիսները բարելավելու համար:

Օգտագործելով գադոլինիումի պարամագնիսականությունը՝ արտադրված գադոլինիումային նյութը դարձել է լավ հակադրություն NMR-ի համար: Նախաձեռնվել է միջուկային մագնիսառեզոնանսային տոմոգրաֆիայի տեխնոլոգիայի ինքնուրույն հետազոտություն, որի հետ կապված եղել են 6 Նոբելյան մրցանակներ։ Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսը հիմնականում առաջանում է ատոմային միջուկների պտտվող շարժումից, իսկ տարբեր ատոմային միջուկների պտտվող շարժումը տատանվում է։ Տարբեր կառուցվածքային միջավայրերում տարբեր թուլացումներով արտանետվող էլեկտրամագնիսական ալիքների հիման վրա կարելի է որոշել այս օբյեկտը կազմող ատոմային միջուկների դիրքը և տեսակը, և կարելի է նկարել օբյեկտի ներքին կառուցվածքային պատկերը: Մագնիսական դաշտի գործողության ներքո միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային պատկերման տեխնոլոգիայի ազդանշանը գալիս է որոշակի ատոմային միջուկների պտույտից, ինչպիսիք են ջրածնի միջուկները ջրում: Այնուամենայնիվ, այս պտտվող միջուկները տաքացվում են մագնիսական ռեզոնանսի ՌԴ դաշտում, նման միկրոալիքային վառարանին, որը սովորաբար թուլացնում է մագնիսական ռեզոնանսային պատկերման տեխնոլոգիայի ազդանշանը: Գադոլինիումի իոնը ոչ միայն ունի շատ ուժեղ Spin մագնիսական մոմենտ, որն օգնում է ատոմային միջուկի պտույտին, բարելավում է հիվանդ հյուսվածքի ճանաչման հավանականությունը, այլև հրաշքով պահպանում է սառը: Այնուամենայնիվ, gadolinium-ն ունի որոշակի թունավորություն, և բժշկության մեջ chelating ligands օգտագործվում են գադոլինիումի իոնները պարփակելու համար՝ կանխելու նրանց մուտքը մարդու հյուսվածքներ:

Գադոլինիումը սենյակային ջերմաստիճանում ունի ուժեղ մագնիսական կալորիական ազդեցություն, և դրա ջերմաստիճանը տատանվում է մագնիսական դաշտի ինտենսիվության հետ, ինչը բերում է հետաքրքիր կիրառություն՝ մագնիսական սառեցում: Սառեցման գործընթացում մագնիսական դիպոլի կողմնորոշման շնորհիվ մագնիսական նյութը տաքանալու է որոշակի արտաքին մագնիսական դաշտի տակ։ Երբ մագնիսական դաշտը հանվում և մեկուսացվում է, նյութի ջերմաստիճանը նվազում է: Այս տեսակի մագնիսական սառեցումը կարող է նվազեցնել սառնագենտների օգտագործումը, ինչպիսին է ֆրեոնը և արագ սառչել: Ներկայումս աշխարհը փորձում է զարգացնել գադոլինիումի և դրա համաձուլվածքների կիրառումը այս ոլորտում և արտադրել փոքր և արդյունավետ մագնիսական հովացուցիչ: Գադոլինիումի օգտագործման դեպքում կարելի է հասնել ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի, ուստի գադոլինիումը հայտնի է նաև որպես «աշխարհի ամենացուրտ մետաղը»:

Գադոլինիումի Gd-155 և Gd-157 իզոտոպները բնական իզոտոպների մեջ ունեն նեյտրոնի կլանման ամենամեծ ջերմային հատվածը և կարող են օգտագործել փոքր քանակությամբ գադոլինիում միջուկային ռեակտորների բնականոն աշխատանքը վերահսկելու համար: Այսպիսով, ստեղծվեցին գադոլինիումի վրա հիմնված թեթև ջրի ռեակտորներ և գադոլինիումի վերահսկման գավազան, որոնք կարող են բարելավել միջուկային ռեակտորների անվտանգությունը՝ միաժամանակ նվազեցնելով ծախսերը:

Գադոլինիումը ունի նաև գերազանց օպտիկական հատկություններ և կարող է օգտագործվել օպտիկական մեկուսիչներ պատրաստելու համար, որոնք նման են սխեմաների դիոդներին, որոնք նաև հայտնի են որպես լուսարձակող դիոդներ: Այս տեսակի լուսարձակող դիոդը ոչ միայն թույլ է տալիս լույսն անցնել մեկ ուղղությամբ, այլ նաև արգելափակում է արձագանքների արտացոլումը օպտիկական մանրաթելում՝ ապահովելով օպտիկական ազդանշանի հաղորդման մաքրությունը և բարելավելով լուսային ալիքների հաղորդման արդյունավետությունը: Գադոլինիումի գալլիումի նռնաքարը օպտիկական մեկուսիչներ պատրաստելու լավագույն հիմքային նյութերից է: