גאדוליניום: המתכת הקרה ביותר בעולם

גאדוליניום, אלמנט 64 לטבלה המחזורית.

Lanthanide בטבלה המחזורית הם משפחה גדולה, ותכונותיהם הכימיות דומות זה לזה מאוד, כך שקשה להפריד ביניהם. בשנת 1789 השיג הכימאי הפיני ג'ון גאדולין תחמוצת מתכת וגילה את תחמוצת האדמה הנדירה הראשונה -תחמוצת yttrium (iii)באמצעות ניתוח, פתיחת ההיסטוריה של הגילוי של יסודות אדמה נדירים. בשנת 1880 גילה המדען השבדי דמריאק שני גורמים חדשים, שאחד מהם אושר מאוחר יותרסמריוםוהשני זוהה רשמית כאלמנט חדש, גאדוליניום, לאחר שטהר על ידי הכימאי הצרפתי דבווה בודלנד.

אלמנט גאדוליניום מקורו בעפרות סיליקון Beryllium Gadolinium, שהוא זול, רך במרקם, טוב במשיכות, מגנטי בטמפרטורת החדר, והוא אלמנט אדמה נדיר יחסית. הוא יציב יחסית באוויר יבש, אך מאבד את הברק שלו בלחות, ויוצר פתית רופפת ומנותקת בקלות כמו תחמוצות לבנות. כאשר הוא נשרף באוויר, הוא יכול לייצר תחמוצות לבנות. גאדוליניום מגיב לאט עם מים ויכול להתמוסס בחומצה ליצירת מלחים חסרי צבע. תכונותיה הכימיות דומות מאוד ללנטניד אחר, אך תכונותיו האופטיות והמגנטיות שונות במקצת. גאדוליניום הוא פרמגנטיזם בטמפרטורת החדר ופרומגנטי לאחר הקירור. ניתן להשתמש במאפייניו לשיפור מגנטים קבועים.

באמצעות הפרמגנטיות של גאדוליניום, סוכן הגאדוליניום המיוצר הפך לחומר ניגודיות טוב עבור NMR. המחקר העצמי של טכנולוגיית הדמיה של תהודה מגנטית גרעינית נפתח, והיו 6 פרסי נובל הקשורים אליו. תהודה מגנטית גרעינית נגרמת בעיקר כתוצאה מתנועת הסיבוב של גרעינים אטומיים, ותנועת הסיבוב של גרעינים אטומיים שונים משתנה. בהתבסס על הגלים האלקטרומגנטיים הנפלטים על ידי הנחתה שונה בסביבות מבניות שונות, ניתן לקבוע את המיקום וסוג הגרעינים האטומיים המרכיבים אובייקט זה, וניתן לצייר את הדימוי המבני הפנימי של האובייקט. בפעולה של שדה מגנטי, האות של טכנולוגיית הדמיה של תהודה מגנטית גרעינית נובע מהספין של גרעינים אטומיים מסוימים, כמו גרעיני מימן במים. עם זאת, גרעינים בעלי יכולת סיבוב זו מחוממים בשדה ה- RF של תהודה מגנטית, בדומה לתנור מיקרוגל, מה שמחלש בדרך כלל את האות של טכנולוגיית הדמיה תהודה מגנטית. ליון של גאדוליניום לא רק יש רגע מגנטי ספין חזק מאוד, המסייע לסיבוב הגרעין האטומי, משפר את ההסתברות להכרה לרקמה חולה, אלא גם באורח פלא שומר על קור רוח. עם זאת, לגאדוליניום יש רעילות מסוימת, וברפואה, ליגנדים צ'לציה משמשים כדי להכיל יוני גאדוליניום כדי למנוע מהם להיכנס לרקמות אנושיות.

לגאדוליניום השפעה מגנטוקלורית חזקה בטמפרטורת החדר, והטמפרטורה שלו משתנה בעוצמת השדה המגנטי, שמגדילה יישום מעניין - קירור מגנטי. במהלך תהליך הקירור, בשל אוריינטציה של הדיפול המגנטי, החומר המגנטי יחמם מתחת לשדה מגנטי חיצוני מסוים. כאשר מוסרים ומבודדים את השדה המגנטי, טמפרטורת החומר פוחתת. קירור מגנטי מסוג זה יכול להפחית את השימוש במקררים כמו פריון ולהתקרר במהירות. נכון לעכשיו, העולם מנסה לפתח את היישום של גאדוליניום וסגסוגותיו בתחום זה, ולייצר קריר מגנטי קטן ויעיל. תחת השימוש בגאדוליניום ניתן להשיג טמפרטורות נמוכות במיוחד, ולכן גאדוליניום ידוע גם בשם "המתכת הקרה ביותר בעולם".

Gadolinium isotopes GD-155 ו- GD-157 הם בעלי חתך הרוחב הגדול ביותר של ספיגת הנויטרונים התרמיים בין כל האיזוטופים הטבעיים, ויכולים להשתמש בכמות קטנה של גאדוליניום כדי לשלוט על הפעולה הרגילה של כורים גרעיניים. לפיכך, נולדו כורי מים קלים מבוססי גאדוליניום ומוט בקרת גדוליניום, מה שיכול לשפר את בטיחותם של כורים גרעיניים תוך הפחתת עלויות.

לגאדוליניום יש גם תכונות אופטיות מצוינות וניתן להשתמש בהן לייצור מבודדים אופטיים, בדומה לדיודות במעגלים, המכונה גם דיודות פולטות אור. סוג זה של דיודה פולטת אור לא רק מאפשר לאור לעבור בכיוון אחד, אלא גם חוסם את השתקפות ההדים בסיב האופטי, ומבטיח את טוהר העברת האות האופטי ושיפור יעילות ההעברה של גלי האור. Gadolinium Gallium Garnet הוא אחד מחומרי המצע הטובים ביותר לייצור מבודדים אופטיים.