가돌리늄, 주기율표의 64번 원소.
주기율표에 있는 란탄족 원소는 대족에 속하며, 화학적 성질이 서로 매우 유사하여 분리하기가 어렵습니다. 1789년 핀란드의 화학자 존 가돌린(John Gadolin)은 금속 산화물을 얻어 최초의 희토류 산화물을 발견했습니다.이트륨(III) 산화물분석을 통해 희토류 원소 발견의 역사를 열어갑니다. 1880년 스웨덴 과학자 데메리악(Demeriak)은 두 가지 새로운 원소를 발견했는데, 그 중 하나는 나중에 다음과 같은 것으로 확인되었습니다.사마륨, 다른 하나는 프랑스 화학자 Debuwa Bodeland에 의해 정제된 후 공식적으로 새로운 원소인 가돌리늄으로 확인되었습니다.
가돌리늄 원소는 실리콘 베릴륨 가돌리늄 광석에서 유래하며 가격이 저렴하고 질감이 부드럽고 연성이 좋으며 상온에서 자성을 띠며 비교적 활성이 좋은 희토류 원소입니다. 건조한 공기 중에서는 상대적으로 안정하지만, 습기가 많은 곳에서는 광택을 잃어 흰색 산화물처럼 느슨하고 쉽게 벗겨지는 플레이크를 형성합니다. 공기 중에서 연소되면 백색 산화물을 생성할 수 있습니다. 가돌리늄은 물과 천천히 반응하며 산에 용해되어 무색 염을 형성할 수 있습니다. 화학적 성질은 다른 란탄족 원소와 매우 유사하지만 광학적, 자기적 성질은 약간 다릅니다. 가돌리늄은 실온에서 상자성(Paramagnetism)을 띠고 냉각 후에는 강자성을 띤다. 그 특성은 영구 자석을 개선하는 데 사용될 수 있습니다.
가돌리늄의 상자성(Paramagnetism)을 이용하여 생산된 가돌리늄 제제는 NMR에 좋은 조영제가 되었습니다. 핵자기공명영상 기술에 대한 자체 연구가 시작되었으며, 이와 관련된 노벨상은 6회나 수상되었습니다. 핵자기공명은 주로 원자핵의 스핀 운동에 의해 발생하며, 서로 다른 원자핵의 스핀 운동은 다양합니다. 서로 다른 구조 환경에서 서로 다른 감쇠로 인해 방출되는 전자파를 기반으로 이 물체를 구성하는 원자핵의 위치와 유형을 결정하고 물체의 내부 구조 이미지를 그릴 수 있습니다. 자기장의 작용으로 핵자기공명영상 기술의 신호는 물 속의 수소핵과 같은 특정 원자핵의 스핀에서 나옵니다. 그러나 이러한 회전 가능 핵은 전자레인지와 유사하게 자기 공명의 RF 장에서 가열되며, 이는 일반적으로 자기 공명 영상 기술의 신호를 약화시킵니다. 가돌리늄 이온은 매우 강한 스핀 자기 모멘트를 갖고 있어 원자핵의 스핀을 도와 질병 조직의 인식 확률을 높여줄 뿐만 아니라 기적적으로 시원함을 유지해줍니다. 그러나 가돌리늄에는 특정 독성이 있으며 의학에서는 킬레이트 리간드를 사용하여 가돌리늄 이온이 인간 조직에 들어가는 것을 방지하기 위해 캡슐화합니다.
가돌리늄은 실온에서 강한 자기열량 효과를 가지며, 그 온도는 자기장의 강도에 따라 달라지므로 흥미로운 응용 분야인 자기 냉동이 가능해집니다. 냉동 과정에서 자기 쌍극자의 방향으로 인해 자성 물질은 특정 외부 자기장에서 가열됩니다. 자기장이 제거되고 절연되면 재료 온도가 감소합니다. 이러한 자기 냉각 방식은 프레온과 같은 냉매의 사용을 줄이고 급속 냉각을 가능하게 합니다. 현재 세계는 이 분야에서 가돌리늄과 그 합금의 응용을 개발하고 작고 효율적인 자기 냉각기를 생산하려고 노력하고 있습니다. 가돌리늄을 사용하면 초저온을 달성할 수 있으므로 가돌리늄은 "세계에서 가장 차가운 금속"으로도 알려져 있습니다.
가돌리늄 동위원소 Gd-155와 Gd-157은 모든 천연 동위원소 중에서 가장 큰 열중성자 흡수 단면적을 가지며, 소량의 가돌리늄을 사용하여 원자로의 정상적인 작동을 제어할 수 있습니다. 그리하여 원전의 안전성을 높이면서 비용을 절감할 수 있는 가돌리늄 기반 경수로와 가돌리늄 제어봉이 탄생하게 되었습니다.
가돌리늄은 또한 우수한 광학적 특성을 갖고 있으며 발광 다이오드라고도 알려진 회로의 다이오드와 유사한 광 절연체를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 유형의 발광 다이오드는 빛을 한 방향으로 통과시킬 수 있을 뿐만 아니라 광섬유에서 에코의 반사를 차단하여 광 신호 전송의 순도를 보장하고 광파의 전송 효율을 향상시킵니다. 가돌리늄 갈륨 가넷은 광 아이솔레이터를 만드는 데 가장 적합한 기판 재료 중 하나입니다.
게시 시간: 2023년 7월 6일