גדוליניום: המתכת הקרה ביותר בעולם

גדוליניום, יסוד 64 של הטבלה המחזורית.

לנתנידים בטבלה המחזורית הם משפחה גדולה, והתכונות הכימיות שלהם דומות מאוד זו לזו, ולכן קשה להפריד ביניהם. בשנת 1789, הכימאי הפיני ג'ון גדולין השיג תחמוצת מתכת וגילה את תחמוצת האדמה הנדירה הראשונה -תחמוצת איטריום(III).באמצעות ניתוח, פתיחת היסטוריית הגילוי של יסודות אדמה נדירים. בשנת 1880, המדען השוודי דמריאק גילה שני יסודות חדשים, שאחד מהם אושר מאוחר יותר.סמאריום, והשני זוהה רשמית כיסוד חדש, גדוליניום, לאחר שטוהר על ידי הכימאי הצרפתי Debuwa Bodeland.

יסוד גדוליניום מקורו בעפרת סיליקון בריליום גדוליניום, שהוא זול, רך במרקם, טוב במשיכות, מגנטי בטמפרטורת החדר, והוא יסוד אדמה נדיר פעיל יחסית. הוא יציב יחסית באוויר יבש, אך מאבד את הברק שלו בלחות, ויוצר פתיתים רופפים ומתנתקים בקלות כמו תחמוצות לבנות. כאשר הוא נשרף באוויר, הוא יכול ליצור תחמוצות לבנות. גדוליניום מגיב באיטיות עם מים ויכול להתמוסס בחומצה ליצירת מלחים חסרי צבע. התכונות הכימיות שלו דומות מאוד ללנתניד אחרים, אבל התכונות האופטיות והמגנטיות שלו שונות במקצת. גדוליניום הוא פרמגנטיות בטמפרטורת החדר ופרומגנטי לאחר קירור. ניתן להשתמש במאפיינים שלו לשיפור מגנטים קבועים.

באמצעות הפראמגנטיות של גדוליניום, חומר גדוליניום שנוצר הפך לחומר ניגוד טוב עבור NMR. החל המחקר העצמי של טכנולוגיית הדמיית תהודה מגנטית גרעינית, והיו קשורים אליו 6 פרסי נובל. תהודה מגנטית גרעינית נגרמת בעיקר מתנועת ספין של גרעיני אטום, ותנועת הספין של גרעיני אטום שונים משתנה. בהתבסס על הגלים האלקטרומגנטיים הנפלטים על ידי הנחתה שונה בסביבות מבניות שונות, ניתן לקבוע את המיקום והסוג של גרעיני האטום המרכיבים את העצם הזה, ולשרטט את התמונה המבנית הפנימית של העצם. תחת פעולת שדה מגנטי, האות של טכנולוגיית הדמיית תהודה מגנטית גרעינית מגיע מהספין של גרעיני אטום מסוימים, כגון גרעיני מימן במים. עם זאת, גרעינים בעלי יכולת ספין אלו מחוממים בשדה ה-RF של תהודה מגנטית, בדומה לתנור מיקרוגל, אשר בדרך כלל מחליש את האות של טכנולוגיית הדמיה בתהודה מגנטית. ליון גדוליניום יש לא רק מומנט מגנטי ספין חזק מאוד, המסייע לספין של גרעין האטום, משפר את ההסתברות לזיהוי של רקמות חולות, אלא גם שומר על קור רוח באורח פלא. עם זאת, לגדוליניום יש רעילות מסוימת, וברפואה משתמשים בליגנדים קלאטיים כדי לעטוף יוני גדוליניום כדי למנוע מהם לחדור לרקמות אנושיות.

לגדוליניום השפעה מגנטו-קלורית חזקה בטמפרטורת החדר, והטמפרטורה שלו משתנה עם עוצמת השדה המגנטי, מה שמעלה אפליקציה מעניינת - קירור מגנטי. במהלך תהליך הקירור, עקב כיוון הדיפול המגנטי, החומר המגנטי יתחמם מתחת לשדה מגנטי חיצוני מסוים. כאשר השדה המגנטי מוסר ומבודד, טמפרטורת החומר יורדת. סוג זה של קירור מגנטי יכול להפחית את השימוש בחומרי קירור כגון פריאון ולהתקרר במהירות. כיום מנסים בעולם לפתח את היישום של גדוליניום וסגסוגותיו בתחום זה, ולייצר מצנן מגנטי קטן ויעיל. בשימוש בגדוליניום ניתן להגיע לטמפרטורות נמוכות במיוחד, ולכן גדוליניום ידוע גם בתור "המתכת הקרה ביותר בעולם".

לאיזוטופים של גדוליניום Gd-155 ו-Gd-157 יש את החתך הגדול ביותר של ספיגת נויטרונים תרמית מבין כל האיזוטופים הטבעיים, והם יכולים להשתמש בכמות קטנה של גדוליניום כדי לשלוט בפעולה הרגילה של כורים גרעיניים. כך נולדו כורי מים קלים מבוססי גדוליניום ומוט בקרת גדוליניום, שיכולים לשפר את הבטיחות של כורים גרעיניים תוך הפחתת עלויות.

ל-Gdolinium יש גם תכונות אופטיות מצוינות וניתן להשתמש בו לייצור מבודדים אופטיים, בדומה לדיודות במעגלים, הידועות גם בשם דיודות פולטות אור. סוג זה של דיודה פולטת אור לא רק מאפשר לאור לעבור בכיוון אחד, אלא גם חוסם את השתקפות ההדים בסיב האופטי, מבטיח את הטוהר של שידור האות האופטי ומשפר את יעילות השידור של גלי האור. נופך גדוליניום גליום הוא אחד מחומרי המצע הטובים ביותר לייצור מבודדים אופטיים.