חומרים צבאיים אדמה נדירים - טרביום אדמה נדירה

יסודות אדמה נדיריםהם הכרחיים לפיתוח היי-טק כמו אנרגיה וחומרים חדשים, ויש להם ערך יישום רחב בתחומים כמו תעופה וחלל, הגנה לאומית ותעשייה צבאית. תוצאות הלוחמה המודרנית מצביעות על כך שנשק מאדמה נדירה שולט בשדה הקרב, יתרונות טכנולוגיים של כדור הארץ נדיר מייצגים יתרונות טכנולוגיים צבאיים, ומשאבים מובטחים. לכן, כדורי אדמה נדירים הפכו גם למשאבים אסטרטגיים שכלכלות גדולות ברחבי העולם מתחרות עליהם, ואסטרטגיות חומרי גלם מרכזיות כמו כדורי אדמה נדירים עולות לרוב לאסטרטגיות לאומיות. אירופה, יפן, ארצות הברית ומדינות ואזורים אחרים מקדישים יותר תשומת לב לחומרי מפתח כגון אדמה נדירה. בשנת 2008, חומרי אדמה נדירים נרשמו כ"אסטרטגיית חומרי מפתח" על ידי משרד האנרגיה של ארצות הברית; בתחילת 2010 הכריז האיחוד האירופי על הקמת מאגר אסטרטגי של כדורי אדמה נדירים; בשנת 2007, משרד החינוך, התרבות, המדע והטכנולוגיה היפני, כמו גם משרד הכלכלה, התעשייה והטכנולוגיה, כבר הציעו את "תוכנית אסטרטגיית האלמנטים" ואת תוכנית "חומרים חלופיים למתכת נדירה". הם נקטו באמצעים ומדיניות מתמשכים ברזרבות משאבים, התקדמות טכנולוגית, רכישת משאבים וחיפוש אחר חומרים חלופיים. החל ממאמר זה, העורך יציג בפירוט את משימות הפיתוח ההיסטוריות החשובות ואף הכרחיות והתפקידים של יסודות כדור הארץ הנדירים הללו.

טרביום שייך לקטגוריה של כדורי אדמה נדירים כבדים, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ ב-1.1 ppm בלבד.תחמוצת טרביוםמהווה פחות מ-0.01% מכלל כדורי הארץ הנדירים. אפילו בעפרת אדמה נדירה כבדה מסוג איטריום גבוהה עם התכולה הגבוהה ביותר של טרביום, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מכלל כדור הארץ הנדיר, מה שמעיד על כך שהוא שייך לקטגוריית ה"אצילים" של יסודות אדמה נדירים. טרביום היא מתכת אפורה כסופה בעלת גמישות ומרקם רך יחסית, הניתנת לחיתוך באמצעות סכין; נקודת התכה 1360 ℃, נקודת רתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229 4 ק"ג/מ"ק. במשך למעלה מ-100 שנים מאז גילוי הטרביום ב-1843, מחסורו וערכו מנעו את יישומו המעשי במשך זמן רב. רק ב-30 השנים האחרונות הוכיח טרביום את כישרונו הייחודי.

גילוי הטרביום

במהלך אותה תקופה כאשרלנתנוםהתגלה, ניתח קרל ג'י מוסנדר משבדיה את התגלה בתחילהאיטריוםופרסם דו"ח בשנת 1842, המבהיר כי כדור הארץ האיטריום שהתגלה בתחילה לא היה תחמוצת יסוד בודדת, אלא תחמוצת של שלושה יסודות. בשנת 1843 גילה מוסנדר את היסוד טרביום באמצעות מחקרו על אדמה איטריום. הוא עדיין קרא לאחד מהם אדמה איטריום ואחד מהםתחמוצת ארביום. רק בשנת 1877 הוא קיבל את השם הרשמי טרביום, עם סמל היסוד Tb. שמו בא מאותו מקור של איטריום, שמקורו בכפר איטרבי ליד שטוקהולם, שוודיה, שם התגלתה לראשונה עפרת איטריום. גילוי הטרביום ושני יסודות נוספים, לנתנום וארביום, פתחו את הדלת השנייה לגילוי יסודות אדמה נדירים, וסימנו את השלב השני של גילוים. הוא טוהר לראשונה על ידי ג' אורבן ב-1905.

מוסנדר

יישום של טרביום

היישום שלטרביוםעוסקת בעיקר בתחומי היי-טק, שהם פרויקטים חדישים עתירי טכנולוגיה וידע, וכן פרויקטים בעלי יתרונות כלכליים משמעותיים, עם סיכויי פיתוח אטרקטיביים. אזורי היישום העיקריים כוללים: (1) שימוש בצורת אדמה נדירה מעורבת. לדוגמה, הוא משמש כדשן מורכב של אדמה נדירה ותוסף מזון לחקלאות. (2) מפעיל לאבקה ירוקה בשלוש אבקות ניאון ראשוניות. חומרים אופטואלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחנים, כלומר אדום, ירוק וכחול, שניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. וטרביום הוא מרכיב הכרחי בהרבה אבקות ניאון ירוקות ואיכותיות. (3) משמש כחומר אחסון אופטי מגנטו. סרטים דקים מסגסוגת מתכת אמורפית טרביום שימשו לייצור דיסקים מגנטו אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. (4) ייצור זכוכית מגנטו אופטית. זכוכית סיבובית של פאראדיי המכילה טרביום היא חומר מפתח לייצור מסובבים, מבודדים ומחזורים בטכנולוגיית לייזר. (5) הפיתוח והפיתוח של סגסוגת ferromagnetostrictive terbium dysprosium (TerFenol) פתחו יישומים חדשים עבור טרביום.

 לחקלאות וגידול בעלי חיים

טרביום אדמה נדירהיכול לשפר את איכות היבולים ולהגביר את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוז מסוים. לקומפלקסים של טרביום פעילות ביולוגית גבוהה, ולקומפלקסים הטרינריים של טרביום, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, יש השפעות אנטיבקטריאליות וקוטלות חיידקים טובות על Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ו-Escherichia coli, עם טווח רחב של אנטיבקטריאליות. נכסים. חקר המתחמים הללו מספק כיוון מחקר חדש לתרופות קוטל חיידקים מודרניות.

משמש בתחום הזוהר

חומרים אופטואלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחנים, כלומר אדום, ירוק וכחול, שניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. וטרביום הוא מרכיב הכרחי בהרבה אבקות ניאון ירוקות ואיכותיות. אם לידתה של אבקת פלורסנט אדומה לטלוויזיה אדמה נדירה עוררה את הביקוש לאיטריום ואירופיום, אזי היישום והפיתוח של טרביום קודמו על ידי אבקת פלורסנט ירוקה בשלושה צבעים ראשוניים של אדמה נדירה עבור מנורות. בתחילת שנות ה-80, פיליפס המציאה את מנורת הפלורסנט הקומפקטית החסכונית הראשונה בעולם וקידמה אותה במהירות ברחבי העולם. יוני Tb3+ יכולים לפלוט אור ירוק עם אורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל אבקות הפלורסנט ירוקות של אדמה נדירה משתמשות בטרביום כמפעיל.

אבקת הפלורסנט הירוקה המשמשת עבור צינורות קרניים קתודיות של טלוויזיה צבעונית (CRTs) תמיד התבססה בעיקר על אבץ גופרתי זול ויעיל, אבל אבקת טרביום שימשה תמיד כאבקת הקרנה ירוקה של טלוויזיה צבעונית, כגון Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, ו-LaOBr: Tb3+. עם הפיתוח של טלוויזיה בהבחנה גבוהה עם מסך גדול (HDTV), מפותחות גם אבקות פלורסנט ירוקות בעלות ביצועים גבוהים עבור CRT. לדוגמה, אבקת פלורסנט ירוקה היברידית פותחה בחו"ל, המורכבת מ-Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+, ו-Y2SiO5: Tb3+, בעלי יעילות הארה מצוינת בצפיפות זרם גבוהה.

אבקת הפלורסנט המסורתית של קרני רנטגן היא סידן טונגסטאט. בשנות ה-70 וה-80 פותחו אבקות פלורסנט נדירות למסכי רגישות, כגון תחמוצת לנתנום גופרתי פעילה בטרביום, תחמוצת לנתנום ברומיד פעילה בטרביום (למסכים ירוקים), ותחמוצת איטריום גופרתי פעילה בטרביום. בהשוואה לסידן טונגסטאט, אבקת פלורסנט של אדמה נדירה יכולה להפחית את זמן הקרנת רנטגן למטופלים ב-80%, לשפר את הרזולוציה של סרטי רנטגן, להאריך את תוחלת החיים של צינורות רנטגן ולהפחית את צריכת האנרגיה. טרביום משמש גם כמפעיל אבקת ניאון עבור מסכי שיפור בקרני רנטגן רפואיים, שיכול לשפר מאוד את הרגישות של המרת רנטגן לתמונות אופטיות, לשפר את הבהירות של סרטי רנטגן ולהפחית במידה ניכרת את מינון החשיפה של רנטגן. קרניים לגוף האדם (במעלה מ-50%).

טרביוםמשמש גם כמפעיל בזרחן LED הלבן הנרגש מאור כחול לתאורת מוליכים למחצה חדשה. זה יכול לשמש לייצור זרחנים גבישיים מגנטו אופטיים מאלומיניום טרביום, באמצעות דיודות פולטות אור כחול כמקורות אור עירור, והפלורסצנטי שנוצר מעורבב עם אור העירור כדי לייצר אור לבן טהור.

החומרים האלקטרולומיננסצנטיים העשויים מטרביום כוללים בעיקר אבקת פלורסנט ירוקה של אבץ גופרתי עם טרביום כמפעיל. תחת קרינה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנטי ירוק חזק וניתן להשתמש בהם כחומרים אלקטרולומיננסנטיים של סרט דק. למרות שהושגה התקדמות משמעותית במחקר של סרטים דקים אלקטרו-אורגניים מורכבים של אדמה נדירה, עדיין קיים פער מסוים מהמעשיות, והמחקר על סרטים ומכשירים דקים אלקטרו-אורגני מורכבים של אדמה נדירה עדיין בעומק.

מאפייני הקרינה של טרביום משמשים גם כבדיקות פלואורסצנטיות. האינטראקציה בין קומפלקס אופלוקסצין טרביום (Tb3+) לחומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) נחקרה באמצעות ספקטרום פלואורסצנטי וספיגה, כגון בדיקת הקרינה של טרביום אופלוקסצין (Tb3+). התוצאות הראו ש-ofloxacin Tb3+probe יכול ליצור קשר חריץ עם מולקולות DNA, וחומצה deoxyribonucleic יכולה לשפר משמעותית את הקרינה של מערכת ofloxacin Tb3+. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע חומצה deoxyribonucleic.

לחומרים אופטיים מגנטו

חומרים עם אפקט פאראדיי, הידועים גם כחומרים מגנטו-אופטיים, נמצאים בשימוש נרחב בלייזרים ובמכשירים אופטיים אחרים. ישנם שני סוגים נפוצים של חומרים מגנטו אופטיים: גבישים אופטיים מגנטו וזכוכית מגנטו אופטית. ביניהם, גבישים מגנטו-אופטיים (כגון נופך ברזל איטריום ונופך טרביום גליום) הם בעלי יתרונות של תדר פעולה מתכוונן ויציבות תרמית גבוהה, אך הם יקרים וקשים לייצור. בנוסף, גבישים מגנטו-אופטיים רבים בעלי זוויות סיבוב גבוהות של פאראדיי הם בעלי ספיגה גבוהה בטווח הגלים הקצרים, מה שמגביל את השימוש בהם. בהשוואה לגבישים אופטיים מגנטו, לזכוכית אופטית מגנטו יש יתרון של שידור גבוה וקל להפוך אותה לגושים או סיבים גדולים. כיום, משקפיים מגנטו-אופטיים עם אפקט פאראדיי גבוה הם בעיקר משקפיים מסוממים עם יונים נדירים.

משמש לחומרי אחסון אופטיים מגנטו

בשנים האחרונות, עם ההתפתחות המהירה של מולטימדיה ואוטומציה משרדית, הביקוש לדיסקים מגנטיים חדשים בעלי קיבולת גבוהה גובר. סרטים דקים מסגסוגת מתכת אמורפית טרביום שימשו לייצור דיסקים מגנטו אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. ביניהם, הסרט הדק מסגסוגת TbFeCo הוא בעל הביצועים הטובים ביותר. חומרים מגנטו-אופטיים מבוססי טרביום יוצרו בקנה מידה גדול, ודיסקים מגנטו-אופטיים העשויים מהם משמשים כרכיבי אחסון מחשבים, כאשר קיבולת האחסון גדלה פי 10-15. יש להם את היתרונות של קיבולת גדולה ומהירות גישה מהירה, וניתן לנגב ולציפוי עשרות אלפי פעמים כאשר משתמשים בהם לדיסקים אופטיים בצפיפות גבוהה. הם חומרים חשובים בטכנולוגיית אחסון מידע אלקטרוני. החומר המגנטו-אופטי הנפוץ ביותר ברצועות הנראות והקרוב לאינפרא אדום הוא גביש יחיד מסוג Terbium Gallium Garnet (TGG), שהוא החומר המגנטו-אופטי הטוב ביותר לייצור מסובבים ומבודדים של Faraday.

לזכוכית מגנטו אופטית

זכוכית מגנטו אופטית של Faraday היא בעלת שקיפות ואיזוטרופיה טובה באזורים הנראים והאינפרא אדום, ויכולה ליצור צורות מורכבות שונות. קל לייצר מוצרים בגודל גדול וניתן למשוך אותו לתוך סיבים אופטיים. לכן, יש לו סיכויי יישום רחבים בהתקנים מגנטו אופטיים כגון מבודדים אופטיים מגנטו, מאפננים מגנטו אופטיים וחיישני זרם סיבים אופטיים. בשל המומנט המגנטי הגדול שלו ומקדם הספיגה הקטן שלו בטווח הנראה והאינפרא אדום, יוני Tb3+ הפכו לנפוץ בשימוש ביוני אדמה נדירים במשקפיים מגנטו אופטיות.

Terbium dysprosium סגסוגת ferromagnetostrictive

בסוף המאה ה-20, עם ההעמקה המתמשכת של המהפכה הטכנולוגית העולמית, צצו במהירות חומרי יישומי אדמה נדירים חדשים. בשנת 1984, אוניברסיטת איווה סטייט, מעבדת איימס של מחלקת האנרגיה של ארה"ב והמרכז לחקר נשק שטח של הצי האמריקני (שממנו הגיעו הצוות העיקרי של תאגיד הטכנולוגיה Edge Technology (ET REMA) שהוקם מאוחר יותר) כדי לפתח מכשיר נדיר חדש. חומר אינטליגנטי לכדור הארץ, כלומר חומר מגנטוסטריקטי פרומגנטי טרביום דיספרוזיום. לחומר אינטליגנטי חדש זה מאפיינים מצוינים של המרת אנרגיה חשמלית במהירות לאנרגיה מכנית. המתמרים התת-מימיים והאלקטרו-אקוסטיים העשויים מחומר מגנטו-סטריקטי ענק זה הוגדרו בהצלחה בציוד ימי, ברמקולים לזיהוי בארות נפט, מערכות בקרת רעשים ורעידות, ומערכות חקירת אוקיינוס ​​ותקשורת תת-קרקעית. לכן, ברגע שנולד החומר המגנטוסטריקטי הענק ברזל טרביום דיספרוזיום, הוא זכה לתשומת לב נרחבת ממדינות מתועשות ברחבי העולם. אדג' טכנולוגיות בארצות הברית החלה לייצר חומרים מגנטוסטריקטיבים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום בשנת 1989 וקראה להם Terfenol D. לאחר מכן, שוודיה, יפן, רוסיה, בריטניה ואוסטרליה פיתחו חומרים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום.

מההיסטוריה של הפיתוח של חומר זה בארצות הברית, הן המצאת החומר והן היישומים המונופוליסטיים המוקדמים שלו קשורים ישירות לתעשייה הצבאית (כגון חיל הים). למרות שמחלקות הצבא וההגנה של סין מחזקים בהדרגה את הבנתם בחומר זה. עם זאת, עם השיפור המשמעותי של החוזק הלאומי המקיף של סין, הדרישה להשגת אסטרטגיה תחרותית צבאית של המאה ה-21 ושיפור רמות הציוד בהחלט תהיה דחופה מאוד. לכן, השימוש הנרחב בחומרים מגנטוסטריקטיבים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום על ידי מחלקות ההגנה הצבאיות והלאומיות יהיה הכרח היסטורי.

בקיצור, המאפיינים המצוינים הרבים שלטרביוםלהפוך אותו לחבר הכרחי של חומרים פונקציונליים רבים ומיקום שאין לו תחליף בכמה תחומי יישום. עם זאת, בשל המחיר הגבוה של טרביום, אנשים לומדים כיצד להימנע ולמזער את השימוש בטרביום על מנת להפחית את עלויות הייצור. לדוגמה, חומרים מגנטו-אופטיים של אדמה נדירה צריכים להשתמש גם בקובלט ברזל דיספרוזיום בעלות נמוכה או גדוליניום טרביום קובלט ככל האפשר; נסו להפחית את תכולת הטרביום באבקת הפלורסנט הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בטרביום. אבל חומרים פונקציונליים רבים לא יכולים בלעדיו, ולכן עלינו לדבוק בעקרון "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לחסוך ככל האפשר את השימוש בטרביום.