חומרים צבאיים נדירים של אדמה - טרביום אדמה נדיר

יסודות אדמה נדיריםהם הכרחיים לפיתוח היי-טק כמו אנרגיה וחומרים חדשים, ויש להם ערך יישום רחב בתחומים כמו חלל, ההגנה הלאומית ותעשייה צבאית. תוצאות הלוחמה המודרנית עולה כי כלי נשק אדמה נדירים שולטים בשדה הקרב, היתרונות הטכנולוגיים הנדירים של כדור הארץ מייצגים יתרונות טכנולוגיים צבאיים, ומובטחים קיום משאבים. לפיכך, אדמות נדירות הפכו גם למשאבים אסטרטגיים שהכלכלות העיקריות ברחבי העולם מתחרות עליהן, ואסטרטגיות חומרי גלם מרכזיות כמו אדמות נדירות עולות לרוב לאסטרטגיות לאומיות. אירופה, יפן, ארצות הברית ומדינות ואזורים אחרים שמים לב יותר לחומרים מרכזיים כמו כדור הארץ הנדיר. בשנת 2008 נרשמו חומרי כדור הארץ הנדירים כ"אסטרטגיית חומרי מפתח "על ידי משרד האנרגיה של ארצות הברית; בתחילת 2010 הודיע ​​האיחוד האירופי על הקמת שמורה אסטרטגית של אדמות נדירות; בשנת 2007, משרד החינוך, התרבות, המדע והטכנולוגיה היפני, כמו גם משרד הכלכלה, התעשייה והטכנולוגיה, כבר הציעו את "תוכנית אסטרטגיית האלמנטים" ואת תוכנית "חומרים אלטרנטיביים מתכת נדירים". הם נקטו במדדים ומדיניות רציפים במאגרי משאבים, התקדמות טכנולוגית, רכישת משאבים וחיפוש אחר חומרים אלטרנטיביים. החל ממאמר זה, העורך יציג בפירוט את משימות הפיתוח ההיסטוריות החשובות ואף הכרחיות של אלמנטים כדור הארץ הנדירים הללו.

טרביום שייך לקטגוריית אדמות נדירות כבדות, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ ב 1.1 עמודים לדקה בלבד.תחמוצת טרביוםמהווה פחות מ- 0.01% מכלל האדמות הנדירות. אפילו בעפרות אדמה נדירות מסוג yttrium ytrium כבד עם התוכן הגבוה ביותר של טרביום, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מכלל האדמה הנדירה, מה שמצביע על כך שהוא שייך לקטגוריה "האצילית" של אלמנטים אדמה נדירים. טרביום הוא מתכת אפור כסוף עם משיכות ומרקם רך יחסית, שניתן לחתוך אותו עם סכין; נקודת התכה 1360 ℃, נקודת הרתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229 4 ק"ג/מ"ק. במשך למעלה ממאה שנה מאז גילוי טרביום בשנת 1843, המחסור והערכה שלו מנעו את היישום המעשי שלה במשך זמן רב. רק בשלושים השנים האחרונות הראה טרביום כישרונו הייחודי.

גילוי טרביום

באותה תקופה בהLanthanumהתגלה, קארל ג 'מוסנדר משוודיה ניתח את התגליות בתחילהyttriumופרסם דו"ח בשנת 1842, והבהיר כי כדור הארץ שהתגלה בתחילה לא היה תחמוצת יסוד אחת, אלא תחמוצת של שלושה יסודות. בשנת 1843 גילה מוסנדר את היסוד טרביום באמצעות מחקריו על יטטריום כדור הארץ. הוא עדיין כינה את אחד מהם yttrium Earth ואחד מהםתחמוצת ארביוםו רק בשנת 1877 נקרא רשמית טרביום, עם סמל האלמנט שחפת. שמותיו מגיעים מאותו מקור כמו yttrium, שמקורו בכפר ytterby ליד שטוקהולם, שוודיה, שם התגלה לראשונה עפרות yttrium. גילוי טרביום ושני אלמנטים נוספים, לנטנום וארביום, פתחו את הדלת השנייה לגילוי יסודות אדמה נדירים, וסימנה את השלב השני לגילוים. זה טוהר לראשונה על ידי G. Urban בשנת 1905.

מוסנדר

יישום טרביום

היישום שלטרביוםכרוך בעיקר בשדות היי-טק, שהם פרויקטים חדישים אינטנסיביים וטכנולוגיים אינטנסיביים, כמו גם פרויקטים עם יתרונות כלכליים משמעותיים, עם סיכויי פיתוח אטרקטיביים. אזורי היישום העיקריים כוללים: (1) משתמשים בצורת אדמות נדירות מעורבות. לדוגמה, הוא משמש כדשן נדיר של תרכובת אדמה ותוסף הזנה לחקלאות. (2) מפעיל לאבקה ירוקה בשלוש אבקות פלורסנט ראשוניות. חומרים אופטו -אלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחן, כלומר אדום, ירוק וכחול, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. ו- Terbium הוא מרכיב חיוני באבקות פלורסנט ירוקות באיכות גבוהה. (3) משמש כחומר אחסון אופטי מגנטו. סרטי דק סגסוגת מתכת מתכתית אמורפית טרביום משמשת לייצור דיסקים אופטיים מגנטו בעלי ביצועים גבוהים. (4) ייצור זכוכית אופטית מגנטו. זכוכית סיבובית של פאראדיי המכילה טרביום היא חומר מפתח עבור ייצור מסובבים, מבודדים ומחזור טכנולוגיית לייזר. (5) התפתחות והתפתחות של סגסוגת טרביום דיספרוזיון פרומגונטוסטריקטיבית (טרפנול) פתחה יישומים חדשים לטרביום.

 לחקלאות ולגידול בעלי חיים

טרביום אדמה נדיריכול לשפר את איכות הגידולים ולהגדיל את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוז מסוים. למתחמים של טרביום פעילות ביולוגית גבוהה, והמתחמים הטרנריים של טרביום, TB (ALA) 3benim (CLO4) 3-3H2O, יש השפעות אנטיבקטריאליות וטובות חיידקים על סטפילוקוקוס AUREUs, Bacillus subtilis, וקולי אסקרייצ'יה, עם תכונות מרחיות. המחקר על מתחמים אלה מספק כיוון מחקר חדש לתרופות חיידקיות מודרניות.

משמש בתחום הזוהר

חומרים אופטו -אלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחן, כלומר אדום, ירוק וכחול, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. ו- Terbium הוא מרכיב חיוני באבקות פלורסנט ירוקות באיכות גבוהה. אם לידתו של אבקת פלואורסצנט אדום בצבע אדמה נדירה עוררה את הביקוש ל- yttrium ולאירופה, הרי היישום וההתפתחות של טרביום קידמו על ידי אדמה נדירה שלוש אבקת פלואורסצנט ירוק בצבע ראשוני למנורות. בתחילת שנות השמונים המציא פיליפס את המנורת הפלואורסצנטית הראשונה לחיסכון באנרגיה הקומפקטית וקידמה אותה במהירות ברחבי העולם. יוני TB3+יכולים לפלוט אור ירוק באורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל אבקות פלואורסצנט ירוק אדמה נדיר משתמשות בטרביום כמפעילה.

אבקת הניאון הירוקה המשמשת לצינורות קרני טלוויזיה בצבע טלוויזיה (CRTs) תמיד התבססה בעיקר על אבץ זול ויעיל אבץ גופרי, אך אבקת טרביום שימשה תמיד כאבקה ירוקה בצבע הטלוויזיה, כמו Y2SiO5: TB3+, Y3 (AL, GA) 5O12: TB3+, ו- LAOBR: TB3+. עם פיתוח טלוויזיה גדולה בהבחנה גבוהה (HDTV), מפותחים גם אבקות פלורסנט ירוקות בעלות ביצועים גבוהים עבור CRTs. לדוגמה, אבקת פלורסנט ירוקה היברידית פותחה בחו"ל, המורכבת מ- Y3 (Al, GA) 5O12: TB3+, LAOCL: TB3+, ו- Y2SIO5: TB3+, שיש להם יעילות זוהרת מעולה בצפיפות זרם גבוהה.

אבקת הניאון הרנטומית המסורתית היא סידן טונגסטאט. בשנות השבעים והשמונים פותחו אבקות פלורסנט אדמה נדירות למסכי רגישות, כמו תחמוצת Lanthanum Sulfide שהופעלה על ידי טרביום, תחמוצת ברומיד Lanthanum (למסכים ירוקים), ותחמוצת yttrium sulfide של טרביום. בהשוואה לסידן טונגסטט, אבקת פלואורסצנט אדמה נדירה יכולה להפחית את זמן ההקרנה לרנטגן עבור חולים ב- 80%, לשפר את הרזולוציה של סרטי רנטגן, להרחיב את אורך החיים של צינורות רנטגן ולהפחית את צריכת האנרגיה. טרביום משמש גם כמפעיל אבקה פלורסנטית למסכי שיפור רנטגן רפואי, שיכולים לשפר מאוד את הרגישות של המרת רנטגן לתמונות אופטיות, לשפר את בהירותם של סרטי רנטגן ולהפחית מאוד את מינון החשיפה של צילומי רנטגן לגוף האדם (ביותר מ- 50%).

טרביוםמשמש גם כמפעיל בזרחן ה- LED הלבן הנרגש על ידי אור כחול לתאורה חדשה של מוליכים למחצה. זה יכול לשמש לייצור זרחן גביש אופטי מגנטו של טרביום אלומיניום, תוך שימוש בדיודות פולטות אור כחול כמקורות אור עירור, והקרינה שנוצרה מעורבבת עם אור העירור לייצור אור לבן טהור.

החומרים האלקטרולומיננטיים העשויים מטרביום כוללים בעיקר אבקה פלואורסצנטית ירוקה של אבץ עם טרביום כמפעיל. תחת הקרנה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנציה ירוקה חזקה ויכולים לשמש כחומרים אלקטרולומיננטיים של סרטים דקים. למרות שהתקדמה משמעותית במחקר של סרטי דק אלקטרולומינצנטיות מורכבות של כדור הארץ נדירות, עדיין יש פער מסוים מהמעשיות, ומחקר על סרטי דק ומכשירים אלקטרולומינצנטיים מורכבים אורגניים נדירים, עדיין עומק.

מאפייני הקרינה של טרביום משמשים גם כבדמי פלואורסצנט. האינטראקציה בין קומפלקס של Ofloxacin Terbium (TB3+) וחומצה deoxyribonucleic (DNA) נחקרה באמצעות ספקטרום פלואורסצנטי וספיגה, כמו בדיקת הקרינה של Ofloxacin terbium (TB3+). התוצאות הראו כי בדיקת TB3+Ofloxacin יכולה ליצור קשירת חריץ עם מולקולות DNA, וחומצה deoxyribonucleic יכולה לשפר משמעותית את הקרינה של מערכת TB3+Ofloxacin. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע חומצה deoxyribonucleic.

לחומרים אופטיים מגנטו

חומרים עם אפקט פאראדיי, המכונה גם חומרים מגנטו-אופטיים, נמצאים בשימוש נרחב בלייזרים ובמכשירים אופטיים אחרים. ישנם שני סוגים נפוצים של חומרים אופטיים מגנטו: גבישים אופטיים מגנטו וזכוכית אופטית מגנטו. ביניהם, גבישים מגנטו-אופטיים (כמו גרנט ברזל yttrium ו- terbium gallium) הם בעלי היתרונות של תדר הפעלה מתכוונן ויציבות תרמית גבוהה, אך הם יקרים וקשים לייצור. בנוסף, גבישים מגנטו-אופטיים רבים עם זוויות סיבוב גבוהות של פארדיי יש ספיגה גבוהה בטווח הגלים הקצר, מה שמגביל את השימוש בהם. בהשוואה לגבישים אופטיים מגנטו, לזכוכית אופטית של מגנטו יש יתרון של העברה גבוהה וקל להפוך אותם לבלוקים או סיבים גדולים. נכון לעכשיו, משקפיים מגנטו-אופטיים עם אפקט פארדיי גבוה הם בעיקר משקפיים מסוממים של יון אדמה נדיר.

משמש לחומרי אחסון אופטיים מגנטו

בשנים האחרונות, עם ההתפתחות המהירה של מולטימדיה ואוטומציה של משרדים, הביקוש לדיסקים מגנטיים חדשים בעלי קיבולת גבוהה גדל. סרטי דק סגסוגת מתכת מתכתית אמורפית טרביום משמשת לייצור דיסקים אופטיים מגנטו בעלי ביצועים גבוהים. ביניהם, לסרט הדק של סגסוגת TBFECO יש את הביצועים הטובים ביותר. חומרים מגנטו-אופטיים מבוססי טרביום הופקו בקנה מידה גדול, ודיסקים מגנטו-אופטיים המיוצרים מהם משמשים כרכיבי אחסון ממוחשבים, כאשר קיבולת האחסון גדלה פי 10-15. יש להם את היתרונות של קיבולת גדולה ומהירות גישה מהירה, וניתן למחוק אותם ולצפוי עשרות אלפי פעמים כאשר משתמשים בהם לדיסקים אופטיים בצפיפות גבוהה. הם חומרים חשובים בטכנולוגיית אחסון מידע אלקטרוני. החומר המגנטי-אופטי הנפוץ ביותר בלהקות הגלויות והכמעט אינפרא אדום הוא Terbium Gallium Garnet (TGG) Crystal Single, שהוא החומר המגנטי-אופטי הטוב ביותר לייצור מסובבים ומבודדים של Faraday.

לזכוכית אופטית מגנטו

לזכוכית אופטית של פארדיי מגנטו יש שקיפות טובה ואיזוטרופיה באזורים הגלויים והאינפרא אדום, ויכולים ליצור צורות מורכבות שונות. קל לייצר מוצרים גדולים וניתן למשוך אותם לסיבים אופטיים. לפיכך, יש לו סיכויי יישום רחבים במכשירים אופטיים מגנטו כמו מבודדים אופטיים מגנטו, מודולטורים אופטיים מגנטו וחיישני זרם סיבים אופטיים. בשל הרגע המגנטי הגדול שלו ומקדם הספיגה הקטן שלו בטווח הגלוי והאינפרא אדום, יוני TB3+הפכו לרוב ליוני אדמה נדירים בכוסות אופטיות מגנטו.

סגסוגת טרביום דיספרוזיון סגסוגת

בסוף המאה העשרים, עם העמקה מתמדת של המהפכה הטכנולוגית העולמית, חומרי יישום אדמה נדירים חדשים צצו במהירות. בשנת 1984, אוניברסיטת איווה, מעבדת איימס של משרד האנרגיה האמריקני, והמרכז לחקר נשק חיל הים האמריקני (ממנו הגיע אנשי הצוות העיקרי של חברת Technology Technology Technology Corporation (ET REMA)) כדי לפתח חומר אינטליגנטי אדמה נדיר חדש, כלומר טרביום דיספרוזיון פרומגנטית מגנטוסטריקטטיבי. לחומר אינטליגנטי חדש זה מאפיינים מצוינים של המרת אנרגיה חשמלית במהירות לאנרגיה מכנית. המתמרים התת-מימיים והאלקטרו-אקוסטיים העשויים מחומר מגנטוסטרקטיבי ענק זה הוגדרו בהצלחה בציוד ימי, רמקולי זיהוי באר שמן, מערכות בקרת רעש ורטט ומערכות חקר אוקיינוס ​​ותקשורת תת-קרקעית. לפיכך, ברגע שנולד חומר מגנטו -קריקטטיבי של ענקית הברזל של טרביום, הוא זכה לתשומת לב נרחבת ממדינות מתועשות ברחבי העולם. טכנולוגיות Edge בארצות הברית החלו לייצר חומרים מגנטוסטרקטיביים ענקיים של טרביום דיספרוזיון בברזל בשנת 1989 וקראו להם טרפנול D. לאחר מכן, שוודיה, יפן, רוסיה, בריטניה, ואוסטרליה פיתחו גם חומרים מגנטוסטריקטטיביים ענקיים ברזל טרביום.

מההיסטוריה של התפתחות חומר זה בארצות הברית, גם המצאת החומר וגם היישומים המונופוליסטיים המוקדמים שלו קשורים ישירות לתעשייה הצבאית (כמו חיל הים). אם כי מחלקות הצבא וההגנה של סין מחזקות בהדרגה את הבנתן בחומר זה. עם זאת, עם השיפור המשמעותי של חוזקה הלאומי המקיף של סין, הביקוש להשגת אסטרטגיה תחרותית צבאית של המאה ה -21 ושיפור רמות הציוד בהחלט יהיה דחוף מאוד. לפיכך, השימוש הנרחב בחומרים מגנטו -גנטוריקטיביים של ענקית ברזל טרביום על ידי מחלקות ההגנה הצבאיות והלאומיות יהיה צורך היסטורי.

בקיצור, התכונות המצוינות הרבות שלטרביוםהפוך אותו לחבר חיוני בחומרים פונקציונליים רבים ולמיקום בלתי ניתן להחלפה בשדות יישומים מסוימים. עם זאת, בגלל המחיר הגבוה של טרביום, אנשים לומדים כיצד להימנע ולמזער את השימוש בטרביום על מנת להפחית את עלויות הייצור. לדוגמה, חומרים מגנטו-אופטיים אדמה נדירים צריכים להשתמש גם בקובלט ברזל דיספרוזיון בעלות נמוכה או בקובלט גאדוליניום טרביום ככל האפשר; נסה להפחית את תוכן הטרביום באבקת הניאון הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בטרביום. אך חומרים פונקציונליים רבים אינם יכולים להסתדר בלעדיו, ולכן עלינו לדבוק בעקרון של "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לחסוך את השימוש בטרביום ככל האפשר.