गॅडोलिनियम: जगातील सर्वात थंड धातू

गॅडोलिनियम, नियतकालिक सारणीचा घटक 64.

नियतकालिक सारणीतील लॅन्थॅनाइड हे एक मोठे कुटुंब आहे आणि त्यांचे रासायनिक गुणधर्म एकमेकांशी खूप साम्य आहेत, म्हणून त्यांना वेगळे करणे कठीण आहे. 1789 मध्ये, फिनिश रसायनशास्त्रज्ञ जॉन गॅडोलिन यांनी मेटल ऑक्साईड मिळवला आणि पहिला दुर्मिळ पृथ्वी ऑक्साईड शोधला -यट्रिअम(III) ऑक्साईडविश्लेषणाद्वारे, दुर्मिळ पृथ्वीच्या घटकांचा शोध इतिहास उघडणे. 1880 मध्ये, स्वीडिश शास्त्रज्ञ डेमेरियाक यांनी दोन नवीन घटक शोधून काढले, त्यापैकी एक नंतर पुष्टी झाली.samarium, आणि दुसरा अधिकृतपणे फ्रेंच रसायनशास्त्रज्ञ डेबुवा बोडेलँड यांनी शुद्ध केल्यानंतर नवीन घटक, गॅडोलिनियम म्हणून ओळखला गेला.

गॅडोलिनियम घटक सिलिकॉन बेरिलियम गॅडोलिनियम धातूपासून उद्भवतो, जो स्वस्त, पोत मऊ, लवचिकता चांगला, खोलीच्या तापमानाला चुंबकीय आणि तुलनेने सक्रिय दुर्मिळ पृथ्वी घटक आहे. हे कोरड्या हवेत तुलनेने स्थिर असते, परंतु आर्द्रतेमध्ये त्याची चमक गमावते, पांढऱ्या ऑक्साईडसारखे सैल आणि सहजपणे विलग केलेले फ्लेक बनते. हवेत जाळल्यावर ते पांढरे ऑक्साईड तयार करू शकते. गॅडोलिनियम पाण्यावर हळूहळू प्रतिक्रिया देते आणि आम्लामध्ये विरघळवून रंगहीन क्षार तयार करू शकते. त्याचे रासायनिक गुणधर्म इतर लॅन्थानाइडसारखेच आहेत, परंतु त्याचे ऑप्टिकल आणि चुंबकीय गुणधर्म थोडे वेगळे आहेत. गॅडोलिनियम म्हणजे खोलीच्या तपमानावर पॅरामॅग्नेटिझम आणि थंड झाल्यावर फेरोमॅग्नेटिक. त्याची वैशिष्ट्ये कायम चुंबक सुधारण्यासाठी वापरली जाऊ शकतात.

गॅडोलिनियमच्या पॅरामॅग्नेटिझमचा वापर करून, तयार केलेला गॅडोलिनियम एजंट NMR साठी चांगला कॉन्ट्रास्ट एजंट बनला आहे. न्यूक्लियर मॅग्नेटिक रेझोनान्स इमेजिंग तंत्रज्ञानाचे स्वयं संशोधन सुरू करण्यात आले असून, त्यासंबंधी 6 नोबेल पारितोषिके मिळाली आहेत. विभक्त चुंबकीय अनुनाद मुख्यतः अणू केंद्रकांच्या फिरकी गतीमुळे होतो आणि वेगवेगळ्या अणु केंद्रकांच्या फिरकी गती बदलत असतात. वेगवेगळ्या संरचनात्मक वातावरणात वेगवेगळ्या क्षीणतेने उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींच्या आधारे, ही वस्तू बनवणाऱ्या अणू केंद्रकांची स्थिती आणि प्रकार निश्चित केला जाऊ शकतो आणि ऑब्जेक्टची अंतर्गत संरचनात्मक प्रतिमा काढता येते. चुंबकीय क्षेत्राच्या कृती अंतर्गत, परमाणु चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तंत्रज्ञानाचा सिग्नल पाण्यातील हायड्रोजन केंद्रक सारख्या विशिष्ट अणू केंद्रकांच्या फिरकीतून येतो. तथापि, हे स्पिन सक्षम केंद्रक चुंबकीय अनुनादाच्या RF क्षेत्रात गरम केले जातात, मायक्रोवेव्ह ओव्हन प्रमाणेच, जे विशेषत: चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तंत्रज्ञानाच्या सिग्नलला कमकुवत करते. गॅडोलिनियम आयनमध्ये केवळ एक अतिशय मजबूत स्पिन चुंबकीय क्षण नाही, जो अणू केंद्रकांच्या फिरण्यास मदत करतो, रोगग्रस्त ऊतींची ओळखण्याची शक्यता सुधारतो, परंतु चमत्कारिकरित्या थंड ठेवतो. तथापि, गॅडोलिनियममध्ये विशिष्ट विषारीपणा आहे आणि औषधांमध्ये, चेलेटिंग लिगँड्सचा वापर गॅडोलिनियम आयनांना मानवी ऊतींमध्ये प्रवेश करण्यापासून रोखण्यासाठी केला जातो.

खोलीच्या तपमानावर गॅडोलिनियमचा मजबूत मॅग्नेटोकॅलोरिक प्रभाव असतो आणि त्याचे तापमान चुंबकीय क्षेत्राच्या तीव्रतेनुसार बदलते, जे एक मनोरंजक अनुप्रयोग आणते - चुंबकीय रेफ्रिजरेशन. रेफ्रिजरेशन प्रक्रियेदरम्यान, चुंबकीय द्विध्रुवाच्या अभिमुखतेमुळे, चुंबकीय सामग्री विशिष्ट बाह्य चुंबकीय क्षेत्राखाली गरम होईल. जेव्हा चुंबकीय क्षेत्र काढून टाकले जाते आणि उष्णतारोधक केले जाते तेव्हा सामग्रीचे तापमान कमी होते. अशा प्रकारचे चुंबकीय शीतकरण फ्रीॉन सारख्या रेफ्रिजरंटचा वापर कमी करू शकते आणि वेगाने थंड होऊ शकते. सध्या, जग या क्षेत्रात गॅडोलिनियम आणि त्याच्या मिश्र धातुंचा वापर विकसित करण्याचा आणि एक लहान आणि कार्यक्षम चुंबकीय कूलर तयार करण्याचा प्रयत्न करीत आहे. गॅडोलिनियमच्या वापराखाली, अति-कमी तापमान मिळवता येते, म्हणून गॅडोलिनियमला ​​"जगातील सर्वात थंड धातू" म्हणून देखील ओळखले जाते.

गॅडोलिनियम समस्थानिक Gd-155 आणि Gd-157 मध्ये सर्व नैसर्गिक समस्थानिकांमध्ये सर्वात मोठा थर्मल न्यूट्रॉन शोषण क्रॉस सेक्शन आहे, आणि ते अणुभट्ट्यांच्या सामान्य ऑपरेशनवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी थोड्या प्रमाणात गॅडोलिनियम वापरू शकतात. अशाप्रकारे, गॅडोलिनियम आधारित लाइट वॉटर रिॲक्टर्स आणि गॅडोलिनियम कंट्रोल रॉडचा जन्म झाला, जे खर्च कमी करून आण्विक अणुभट्ट्यांची सुरक्षितता सुधारू शकतात.

गॅडोलिनियममध्ये उत्कृष्ट ऑप्टिकल गुणधर्म देखील आहेत आणि ते प्रकाश-उत्सर्जक डायोड म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या सर्किट्समधील डायोडसारखे ऑप्टिकल आयसोलेटर बनवण्यासाठी वापरले जाऊ शकतात. या प्रकारचा प्रकाश-उत्सर्जक डायोड केवळ एका दिशेने प्रकाश टाकू देत नाही, तर ऑप्टिकल फायबरमधील प्रतिध्वनींचे प्रतिबिंब देखील अवरोधित करतो, ऑप्टिकल सिग्नल ट्रान्समिशनची शुद्धता सुनिश्चित करतो आणि प्रकाश लहरींच्या प्रसारणाची कार्यक्षमता सुधारतो. गॅडोलिनियम गॅलियम गार्नेट हे ऑप्टिकल आयसोलेटर बनवण्यासाठी सर्वोत्तम सब्सट्रेट सामग्रींपैकी एक आहे.