마법의 희토류 원소: "영구자석의 왕"-네오디뮴

바스트나사이트

네오디뮴(네오디뮴)은 원자번호 60, 원자량 144.24로 지각에 0.00239% 함유되어 있으며 주로 모나자이트와 바스트네사이트에 존재합니다. 자연에는 네오디뮴 142, 143, 144, 145, 146, 148, 150 등 7가지 동위원소가 있으며, 그 중 네오디뮴 142가 가장 많이 함유되어 있습니다. 프라세오디뮴이 탄생하면서 네오디뮴이 탄생하게 되었습니다. 네오디뮴의 등장은 희토류 분야를 활성화시켰고, 그 안에서 중요한 역할을 했으며, 희토류 시장에도 영향을 미치고 있습니다.

네오디뮴의 발견

네오디뮴의 발견자 칼 오르본 벨스바흐(1858-1929)

1885년 오스트리아의 화학자 Carl Orvon Welsbach Carl Auer von Welsbach는 비엔나에서 네오디뮴을 발견했습니다. 그는 질산에서 질산암모늄 사수화물을 분리, 결정화하여 대칭형 네오디뮴 물질에서 네오디뮴과 프라세오디뮴을 분리함과 동시에 분광분석을 통해 분리했으나 1925년까지 비교적 순수한 형태로 분리되지는 않았다.

1950년대 이후에는 주로 모나자이트의 이온교환 공정을 통해 고순도 네오디뮴(99% 이상)을 얻었습니다. 금속 자체는 할로겐화물 염을 전기 분해하여 얻습니다. 현재 대부분의 네오디뮴은 바스타나타나이트(Basta Nathanite)의 (Ce,La,Nd,Pr)CO3F에서 추출되고 용매 추출을 통해 정제됩니다. 제조를 위한 최고 순도(보통 > 99.99%)의 이온교환 정제 보유량. 제조가 단계적 결정화 기술에 의존하던 시대에 마지막 흔적인 프라세오디뮴을 제거하기 어렵기 때문에 1930년대에 제조된 초기 네오디뮴 유리는 보다 순수한 보라색 색상을 가집니다. 현대 버전보다 더 붉은색이나 주황색 톤을 띠고 있습니다.

네오디뮴 금속

금속성 네오디뮴은 밝은 은색 금속광택을 가지며, 녹는점은 1024°C, 밀도는 7.004g/cm2, 상자성(paramagnetism)을 가지고 있습니다. 네오디뮴은 활성이 가장 높은 희토류 금속 중 하나로 공기 중에서 빠르게 산화되어 어두워지고, 산화층을 형성한 후 벗겨지면서 금속이 더욱 산화될 수 있습니다. 따라서 1cm 크기의 네오디뮴 시료는 1년 안에 완전히 산화됩니다. 찬물에서는 천천히 반응하고 뜨거운 물에서는 빠르게 반응합니다.

네오디뮴 전자 구성

전자 구성:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f4

네오디뮴의 레이저 성능은 서로 다른 에너지 수준 사이의 4f 궤도 전자의 전이로 인해 발생합니다. 이 레이저 재료는 통신, 정보 저장, 의료, 기계 가공 등에 널리 사용됩니다. 그 중 이트륨 알루미늄 가넷 Y3Al5O12:Nd(YAG:Nd)가 우수한 성능으로 널리 사용되고 있으며, Nd 도핑된 가돌리늄 스칸듐 갈륨 가넷은 더 높은 능률.

네오디뮴의 응용

네오디뮴의 가장 큰 사용자는 NdFeB 영구자석 소재입니다. NdFeB 자석은 높은 자기 에너지 제품 때문에 "영구 자석의 왕"이라고 불립니다. 우수한 성능으로 전자, 기계 및 기타 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 영국 엑서터대학교 컴벌랜드 광업대학 응용광업 교수인 프랜시스 월(Francis Wall)은 “자석의 경우 네오디뮴과 경쟁할 수 있는 것은 사실상 없다”며 “알파자기분광계의 성공적인 개발은 자기적 특성이 중국 NdFeB 자석의 비율이 세계적 수준에 진입했습니다.

하드 디스크의 네오디뮴 자석

네오디뮴은 세라믹, 밝은 보라색 유리, 레이저의 인공 루비 및 적외선을 필터링할 수 있는 특수 유리를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 유리 송풍기용 고글을 만들기 위해 프라세오디뮴과 함께 사용됩니다.

마그네슘 또는 알루미늄 합금에 1.5%~2.5% 나노 네오디뮴 산화물을 첨가하면 합금의 고온 성능, 기밀성 및 내식성을 향상시킬 수 있으며 항공우주용 재료로 널리 사용됩니다.

나노 네오디뮴 산화물이 도핑된 나노 이트륨 알루미늄 가넷은 단파 레이저 빔을 생성하며, 이는 업계에서 두께 10mm 이하의 얇은 재료를 용접 및 절단하는 데 널리 사용됩니다.

Nd:YAG 레이저 막대

의료 분야에서는 수술용 칼 대신 나노 네오디뮴 산화물이 도핑된 나노 이트륨 알루미늄 가닛 레이저를 사용하여 수술 상처를 제거하거나 상처를 소독합니다.

네오디뮴 유리는 유리 용융물에 산화네오디뮴을 첨가하여 만들어집니다. 라벤더는 일반적으로 햇빛이나 백열등 아래 네오디뮴 유리에 나타나지만 형광등 조명 아래에서는 연한 파란색이 나타납니다. 네오디뮴은 순수한 보라색, 와인 레드, 따뜻한 회색과 같은 섬세한 유리 색조를 색칠하는 데 사용할 수 있습니다.

네오디뮴 유리

과학기술의 발전과 희토류 과학기술의 확대와 확장으로 네오디뮴은 더욱 넓은 활용공간을 갖게 될 것이다.