Elementi redkih zemeljso nepogrešljivi za razvoj visoke tehnologije, kot so nova energija in materiali, in imajo široko uporabno vrednost na področjih, kot so vesoljska, nacionalna obramba in vojaška industrija. Rezultati sodobnega vojskovanja kažejo, da orožje redkih zemelj prevladuje na bojišču, tehnološke prednosti redkih zemelj predstavljajo vojaške tehnološke prednosti in da je imeti vire zagotovljeno. Zato so redke zemlje postale tudi strateški viri, za katere tekmujejo velika gospodarstva po vsem svetu, ključne strategije surovin, kot so redke zemlje, pa se pogosto dvignejo v nacionalne strategije. Evropa, Japonska, Združene države in druge države ter regije namenjajo več pozornosti ključnim materialom, kot so redke zemlje. Ministrstvo za energijo Združenih držav je leta 2008 redke zemeljske materiale uvrstilo na seznam "strategije ključnih materialov"; V začetku leta 2010 je Evropska unija napovedala ustanovitev strateške rezerve redkih zemelj; Leta 2007 sta japonsko Ministrstvo za izobraževanje, kulturo, znanost in tehnologijo ter Ministrstvo za gospodarstvo, industrijo in tehnologijo že predlagala "Strateški načrt elementov" in načrt "Nadomestni materiali redkih kovin". Sprejeli so stalne ukrepe in politike glede rezerv virov, tehnološkega napredka, pridobivanja virov in iskanja alternativnih materialov. Začenši s tem člankom bo urednik podrobno predstavil pomembna in celo nepogrešljiva zgodovinska razvojna poslanstva in vloge teh redkozemeljskih elementov.
Terbij spada v kategorijo težkih redkih zemelj z nizko vsebnostjo v zemeljski skorji le 1,1 ppm.Terbijev oksidpredstavlja manj kot 0,01 % vseh redkih zemelj. Tudi v težki rudi redkih zemelj z visoko vsebnostjo itrijevih ionov z najvišjo vsebnostjo terbija predstavlja vsebnost terbija le 1,1-1,2 % skupne redke zemlje, kar kaže, da spada v "plemenito" kategorijo elementov redkih zemelj. Terbij je srebrno siva kovina z duktilnostjo in relativno mehko strukturo, ki jo je mogoče razrezati z nožem; Tališče 1360 ℃, vrelišče 3123 ℃, gostota 8229 4kg/m3. Več kot 100 let od odkritja terbija leta 1843 sta njegovo pomanjkanje in vrednost dolgo časa onemogočala njegovo praktično uporabo. Šele v zadnjih 30 letih je terbij pokazal svoj edinstven talent.
Odkritje terbija
V istem obdobju, kolantanKarl G. Mosander iz Švedske je analiziral prvotno odkritoitrijin leta 1842 objavil poročilo, v katerem je pojasnil, da prvotno odkrita itrijeva zemlja ni en elementarni oksid, ampak oksid treh elementov. Leta 1843 je Mossander s svojim raziskovanjem itrijeve zemlje odkril element terbij. Enega je še poimenoval itrijeva zemlja in enega od njiherbijev oksid. Šele leta 1877 so ga uradno poimenovali terbij s simbolom elementa Tb. Njegovo poimenovanje izhaja iz istega vira kot itrij, saj izvira iz vasi Ytterby blizu Stockholma na Švedskem, kjer je bila itrijeva ruda prvič odkrita. Odkritje terbija in dveh drugih elementov, lantana in erbija, je odprlo druga vrata odkritju elementov redkih zemelj in pomenilo drugo stopnjo njihovega odkrivanja. Prvi ga je prečistil G. Urban leta 1905.
Mossander
Uporaba terbija
Uporabaterbijgre večinoma za visoko tehnološka področja, ki so tehnološko intenzivni in z znanjem intenzivni vrhunski projekti ter projekti z velikimi gospodarskimi koristmi, s privlačnimi razvojnimi obeti. Glavna področja uporabe vključujejo: (1) uporabo v obliki mešanice redkih zemelj. Uporablja se na primer kot sestavljeno gnojilo iz redkih zemelj in krmni dodatek za kmetijstvo. (2) Aktivator za zeleni prah v treh primarnih fluorescentnih prahu. Sodobni optoelektronski materiali zahtevajo uporabo treh osnovnih barv fosforja, in sicer rdeče, zelene in modre, s katerimi lahko sintetiziramo različne barve. In terbij je nepogrešljiva sestavina mnogih visokokakovostnih zelenih fluorescenčnih prahov. (3) Uporablja se kot magnetno optični pomnilniški material. Tanki filmi iz zlitine prehodne kovine amorfne kovine terbija so bili uporabljeni za izdelavo visoko zmogljivih magnetno optičnih diskov. (4) Proizvodnja magneto optičnega stekla. Faradayevo rotacijsko steklo, ki vsebuje terbij, je ključni material za izdelavo rotatorjev, izolatorjev in cirkulatorjev v laserski tehnologiji. (5) Razvoj in razvoj terbij disprozijeve feromagnetostriktivne zlitine (TerFenol) je odprl nove aplikacije za terbij.
Za poljedelstvo in živinorejo
Terbij redke zemljelahko izboljša kakovost pridelkov in poveča stopnjo fotosinteze v določenem območju koncentracij. Kompleksi terbija imajo visoko biološko aktivnost, ternarni kompleksi terbija Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O pa imajo dobre antibakterijske in baktericidne učinke na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis in Escherichia coli s širokim spektrom antibakterijskih učinkov. lastnosti. Študija teh kompleksov zagotavlja novo raziskovalno smer za sodobna baktericidna zdravila.
Uporablja se na področju luminiscence
Sodobni optoelektronski materiali zahtevajo uporabo treh osnovnih barv fosforja, in sicer rdeče, zelene in modre, s katerimi lahko sintetiziramo različne barve. In terbij je nepogrešljiva sestavina mnogih visokokakovostnih zelenih fluorescenčnih prahov. Če je rojstvo redkozemeljskega barvnega rdečega fluorescenčnega prahu za televizijo spodbudilo povpraševanje po itriju in evropiju, potem sta uporaba in razvoj terbija spodbujala tri primarno barvni zeleni fluorescentni prah redkih zemelj za sijalke. V zgodnjih osemdesetih letih je Philips izumil prvo kompaktno energetsko varčno fluorescentno sijalko na svetu in jo hitro promoviral po vsem svetu. Ioni Tb3+ lahko oddajajo zeleno svetlobo z valovno dolžino 545 nm in skoraj vsi zeleni fluorescenčni prahovi redkih zemelj uporabljajo terbij kot aktivator.
Zeleni fluorescentni prah, ki se uporablja za katodne cevi (CRT) za barvne televizorje, je vedno temeljil predvsem na poceni in učinkovitem cinkovem sulfidu, terbijev prah pa se je vedno uporabljal kot zeleni prah za projekcije barvnih televizorjev, kot je Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ in LaOBr: Tb3+. Z razvojem televizije visoke ločljivosti z velikimi zasloni (HDTV) se razvijajo tudi visokozmogljivi zeleni fluorescenčni prahovi za CRT. V tujini so na primer razvili hibridni zeleni fluorescenčni prah, ki ga sestavljajo Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ in Y2SiO5: Tb3+, ki imajo odlično učinkovitost luminiscence pri visoki gostoti toka.
Tradicionalni rentgenski fluorescentni prah je kalcijev volframat. V 1970-ih in 1980-ih so bili razviti redki zemeljski fluorescentni praški za zaslone za preobčutljivost, kot je terbijem aktiviran lantanov sulfid oksid, terbijem aktiviran lantanov bromid oksid (za zelene zaslone) in terbijem aktiviran itrijev sulfid oksid. V primerjavi s kalcijevim volframatom lahko fluorescentni prah redkih zemelj skrajša čas rentgenskega obsevanja bolnikov za 80 %, izboljša ločljivost rentgenskih filmov, podaljša življenjsko dobo rentgenskih cevi in zmanjša porabo energije. Terbij se uporablja tudi kot aktivator fluorescentnega prahu za medicinske zaslone za izboljšanje rentgenskih žarkov, ki lahko močno izboljšajo občutljivost pretvorbe rentgenskih žarkov v optične slike, izboljšajo jasnost rentgenskih filmov in močno zmanjšajo odmerek izpostavljenosti rentgenskim žarkom. žarkov na človeško telo (za več kot 50 %).
Terbijse uporablja tudi kot aktivator v belem LED fosforju, ki ga vzbuja modra svetloba za novo polprevodniško osvetlitev. Uporablja se lahko za proizvodnjo terbij-aluminijevih magnetno-optičnih kristalnih fosforjev z uporabo modrih svetlečih diod kot vzbujevalnih svetlobnih virov, ustvarjena fluorescenca pa se zmeša z vzbujevalno svetlobo, da proizvede čisto belo svetlobo.
Elektroluminiscenčni materiali iz terbija vključujejo predvsem cinkov sulfid, zeleni fluorescentni prah s terbijem kot aktivatorjem. Pod ultravijoličnim obsevanjem lahko organski kompleksi terbija oddajajo močno zeleno fluorescenco in se lahko uporabljajo kot tankoslojni elektroluminiscenčni materiali. Čeprav je bil dosežen znaten napredek pri preučevanju elektroluminiscenčnih tankih filmov redkih zemeljskih organskih kompleksov, še vedno obstaja določena vrzel glede na praktičnost, raziskave o redkih zemeljskih organskih kompleksnih elektroluminescentnih tankih filmih in napravah pa so še vedno v poglobljeni.
Fluorescenčne lastnosti terbija se uporabljajo tudi kot fluorescenčne sonde. Interakcija med kompleksom ofloksacin terbija (Tb3+) in deoksiribonukleinsko kislino (DNA) je bila proučena z uporabo fluorescenčnih in absorpcijskih spektrov, kot je fluorescenčna sonda ofloksacin terbija (Tb3+). Rezultati so pokazali, da lahko sonda ofloksacina Tb3+ tvori žleb, ki se veže z molekulami DNK, deoksiribonukleinska kislina pa lahko znatno poveča fluorescenco sistema ofloksacin Tb3+. Na podlagi te spremembe lahko določimo deoksiribonukleinsko kislino.
Za magnetooptične materiale
Materiali s Faradayevim učinkom, znani tudi kot magnetno-optični materiali, se pogosto uporabljajo v laserjih in drugih optičnih napravah. Obstajata dve običajni vrsti magnetnooptičnih materialov: magnetnooptični kristali in magnetnooptično steklo. Med njimi imajo magnetooptični kristali (kot sta itrijev železov granat in terbijev galijev granat) prednosti nastavljive delovne frekvence in visoke toplotne stabilnosti, vendar so dragi in jih je težko izdelati. Poleg tega imajo številni magnetnooptični kristali z visokimi faradayevimi rotacijskimi koti visoko absorpcijo v območju kratkih valov, kar omejuje njihovo uporabo. V primerjavi z magnetno optičnimi kristali ima magnetno optično steklo prednost visoke prepustnosti in ga je enostavno sestaviti v velike bloke ali vlakna. Trenutno so magnetno-optična stekla z visokim Faradayevim učinkom večinoma stekla, dopirana z ioni redkih zemelj.
Uporablja se za magnetno optične materiale za shranjevanje
V zadnjih letih se s hitrim razvojem multimedije in pisarniške avtomatizacije povečuje povpraševanje po novih visokozmogljivih magnetnih diskih. Tanki filmi iz zlitine prehodne kovine amorfne kovine terbija so bili uporabljeni za izdelavo visoko zmogljivih magnetno optičnih diskov. Med njimi ima najboljšo zmogljivost tanek film zlitine TbFeCo. Magnetno-optični materiali na osnovi terbija so bili proizvedeni v velikem obsegu in magnetno-optični diski, narejeni iz njih, se uporabljajo kot komponente za shranjevanje računalnikov, pri čemer se zmogljivost shranjevanja poveča za 10-15-krat. Imajo prednosti velike zmogljivosti in visoke hitrosti dostopa ter jih je mogoče več deset tisočkrat obrisati in premazati, če se uporabljajo za optične diske z visoko gostoto. So pomembni materiali v tehnologiji elektronskega shranjevanja informacij. Najpogosteje uporabljen magnetno-optični material v vidnem in bližnjem infrardečem pasu je monokristal Terbium Gallium Garnet (TGG), ki je najboljši magnetno-optični material za izdelavo Faradayevih rotatorjev in izolatorjev.
Za magnetno optično steklo
Magnetno optično steklo Faraday ima dobro prosojnost in izotropijo v vidnem in infrardečem območju ter lahko tvori različne kompleksne oblike. Enostavno je izdelati izdelke velikih dimenzij in ga je mogoče vleči v optična vlakna. Zato ima široke možnosti uporabe v magnetnooptičnih napravah, kot so magnetnooptični izolatorji, magnetnooptični modulatorji in tokovni senzorji iz optičnih vlaken. Zaradi velikega magnetnega momenta in majhnega absorpcijskega koeficienta v vidnem in infrardečem območju so ioni Tb3+ postali pogosto uporabljeni ioni redkih zemelj v magnetooptičnih steklih.
Terbij-disprozijeva feromagnetostriktivna zlitina
Ob koncu 20. stoletja, z nenehnim poglabljanjem svetovne tehnološke revolucije, so se hitro pojavili novi materiali za uporabo redkih zemelj. Leta 1984 so Državna univerza Iowa, Laboratorij Ames Ministrstva za energijo ZDA in Center za raziskovanje površinskega orožja ameriške mornarice (iz katerega je prišlo glavno osebje pozneje ustanovljene korporacije Edge Technology (ET REMA)) sodelovali pri razvoju novega redkega orožja. zemeljski inteligentni material, in sicer terbij disprozij feromagnetni magnetostriktivni material. Ta novi inteligentni material ima odlične lastnosti hitrega pretvarjanja električne energije v mehansko. Podvodni in elektroakustični pretvorniki iz tega velikanskega magnetostriktivnega materiala so bili uspešno konfigurirani v pomorski opremi, zvočnikih za zaznavanje naftnih vrtin, sistemih za nadzor hrupa in vibracij ter raziskovanju oceanov in podzemnih komunikacijskih sistemih. Takoj ko se je rodil orjaški magnetostriktivni material terbij disprozij železo, je bil deležen široke pozornosti industrializiranih držav po vsem svetu. Podjetje Edge Technologies v Združenih državah je leta 1989 začelo proizvajati velikanske magnetostriktivne materiale terbij disprozij železo in jih poimenovalo Terfenol D. Kasneje so Švedska, Japonska, Rusija, Združeno kraljestvo in Avstralija prav tako razvile velikanske magnetostriktivne materiale terbij disprozij železo.
Glede na zgodovino razvoja tega materiala v Združenih državah sta izum materiala in njegove zgodnje monopolne uporabe neposredno povezani z vojaško industrijo (kot je mornarica). Čeprav kitajska vojaška in obrambna ministrstva postopoma krepita svoje razumevanje tega gradiva. Vendar pa bo zaradi znatne okrepitve celovite nacionalne moči Kitajske zahteva po doseganju vojaške konkurenčne strategije 21. stoletja in izboljšanju ravni opreme zagotovo zelo nujna. Zato bo široka uporaba orjaških magnetostriktivnih materialov terbij disprozij železo s strani vojaških in nacionalnih obrambnih oddelkov zgodovinsko nujna.
Skratka, številne odlične lastnostiterbijzaradi česar je nepogrešljiv člen mnogih funkcionalnih materialov in nenadomestljiv položaj na nekaterih področjih uporabe. Vendar pa zaradi visoke cene terbija ljudje proučujejo, kako se izogniti in zmanjšati uporabo terbija, da bi zmanjšali proizvodne stroške. Magnetno-optični materiali redkih zemelj bi morali na primer čim bolj uporabljati poceni disprozij železo kobalt ali gadolinij terbij kobalt; Poskusite zmanjšati vsebnost terbija v zelenem fluorescentnem prahu, ki ga morate uporabiti. Cena je postala pomemben dejavnik, ki omejuje široko uporabo terbija. Toda mnogi funkcionalni materiali ne morejo brez njega, zato se moramo držati načela "uporaba dobrega jekla na rezilu" in poskušati čim bolj prihraniti uporabo terbija.
Čas objave: 7. avgusta 2023