แกโดลิเนียม: โลหะที่เย็นที่สุดในโลก

แกโดลิเนียมธาตุที่ 64 ของตารางธาตุ

แลนทาไนด์ในตารางธาตุเป็นตระกูลใหญ่และคุณสมบัติทางเคมีมีความคล้ายคลึงกันมากดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะแยกออกจากกัน ในปี พ.ศ. 2332 นักเคมีชาวฟินแลนด์ จอห์น กาโดลิน ได้รับโลหะออกไซด์และค้นพบออกไซด์ของธาตุหายากชนิดแรก -อิตเทรียม (III) ออกไซด์ผ่านการวิเคราะห์เปิดประวัติการค้นพบธาตุหายาก ในปี ค.ศ. 1880 นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน Demeriak ค้นพบองค์ประกอบใหม่สององค์ประกอบ ซึ่งหนึ่งในนั้นได้รับการยืนยันในภายหลังว่าเป็นซาแมเรียมและอีกธาตุหนึ่งได้รับการระบุอย่างเป็นทางการว่าเป็นธาตุใหม่ นั่นคือแกโดลิเนียม หลังจากทำให้บริสุทธิ์โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส เดบูวา โบเดลันด์

ธาตุแกโดลิเนียมมีต้นกำเนิดมาจากแร่ซิลิกอนเบริลเลียมแกโดลิเนียม ซึ่งมีราคาถูก เนื้อสัมผัสนุ่ม เหนียวได้ดี มีแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง และเป็นธาตุหายากที่ทำงานอยู่ มันค่อนข้างเสถียรในอากาศแห้ง แต่สูญเสียความมันวาวในความชื้น ทำให้เกิดเกล็ดหลวมและหลุดออกได้ง่ายเช่นออกไซด์สีขาว เมื่อเผาในอากาศจะทำให้เกิดออกไซด์สีขาว แกโดลิเนียมทำปฏิกิริยาช้าๆ กับน้ำและสามารถละลายในกรดจนเกิดเป็นเกลือไม่มีสี คุณสมบัติทางเคมีของมันคล้ายกับแลนทาไนด์อื่นมาก แต่คุณสมบัติทางแสงและแม่เหล็กแตกต่างกันเล็กน้อย แกโดลิเนียมคือพาราแมกเนติกที่อุณหภูมิห้องและเป็นเฟอร์โรแมกเนติกหลังจากเย็นตัวลง คุณลักษณะของมันสามารถใช้เพื่อปรับปรุงแม่เหล็กถาวรได้

การใช้พาราแมกเนติซึมของแกโดลิเนียม สารแกโดลิเนียมที่ผลิตได้กลายมาเป็นสารตัดกันที่ดีสำหรับ NMR การวิจัยด้วยตนเองเกี่ยวกับเทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว และได้รับรางวัลโนเบล 6 รางวัลที่เกี่ยวข้องกัน เสียงสะท้อนแม่เหล็กนิวเคลียร์ส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากการเคลื่อนที่แบบหมุนของนิวเคลียสของอะตอม และการเคลื่อนที่แบบหมุนของนิวเคลียสของอะตอมที่แตกต่างกันจะแตกต่างกันไป จากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากการลดทอนที่แตกต่างกันในสภาพแวดล้อมโครงสร้างที่แตกต่างกัน ตำแหน่งและประเภทของนิวเคลียสของอะตอมที่ประกอบเป็นวัตถุนี้สามารถกำหนดได้ และสามารถวาดภาพโครงสร้างภายในของวัตถุได้ ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก สัญญาณของเทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์จะมาจากการหมุนของนิวเคลียสของอะตอมบางชนิด เช่น นิวเคลียสของไฮโดรเจนในน้ำ อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสที่มีความสามารถในการหมุนได้เหล่านี้ได้รับความร้อนในสนาม RF ของสนามแม่เหล็กเรโซแนนซ์ คล้ายกับเตาอบไมโครเวฟ ซึ่งโดยทั่วไปจะทำให้สัญญาณของเทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กอ่อนลง แกโดลิเนียมไอออนไม่เพียงแต่มีโมเมนต์แม่เหล็กหมุนที่แข็งแกร่งมาก ซึ่งช่วยการหมุนของนิวเคลียสของอะตอม ยังเพิ่มความน่าจะเป็นในการจดจำของเนื้อเยื่อที่เป็นโรค แต่ยังช่วยให้เย็นอย่างน่าอัศจรรย์อีกด้วย อย่างไรก็ตาม แกโดลิเนียมมีความเป็นพิษบางอย่าง และในทางการแพทย์ ลิแกนด์ที่เป็นคีเลตถูกนำมาใช้เพื่อห่อหุ้มไอออนของแกโดลิเนียมเพื่อป้องกันไม่ให้เข้าสู่เนื้อเยื่อของมนุษย์

แกโดลิเนียมมีฤทธิ์ทางแม่เหล็กที่แข็งแกร่งที่อุณหภูมิห้อง และอุณหภูมิจะแตกต่างกันไปตามความเข้มของสนามแม่เหล็ก ซึ่งทำให้เกิดการใช้งานที่น่าสนใจ - การทำความเย็นแบบแม่เหล็ก ในระหว่างกระบวนการทำความเย็น เนื่องจากการวางแนวของไดโพลแม่เหล็ก วัสดุแม่เหล็กจะร้อนขึ้นภายใต้สนามแม่เหล็กภายนอกที่แน่นอน เมื่อสนามแม่เหล็กถูกเอาออกและเป็นฉนวน อุณหภูมิของวัสดุจะลดลง การระบายความร้อนด้วยแม่เหล็กชนิดนี้สามารถลดการใช้สารทำความเย็น เช่น ฟรีออน และเย็นลงอย่างรวดเร็ว ปัจจุบันโลกกำลังพยายามพัฒนาการประยุกต์ใช้แกโดลิเนียมและโลหะผสมของมันในสาขานี้ และผลิตเครื่องทำความเย็นแบบแม่เหล็กขนาดเล็กและมีประสิทธิภาพ ภายใต้การใช้แกโดลิเนียม อุณหภูมิต่ำมากสามารถทำได้ ดังนั้นแกโดลิเนียมจึงได้ชื่อว่าเป็น "โลหะที่เย็นที่สุดในโลก"

ไอโซโทปแกโดลิเนียม Gd-155 และ Gd-157 มีส่วนตัดขวางการดูดซับนิวตรอนความร้อนที่ใหญ่ที่สุดในบรรดาไอโซโทปธรรมชาติทั้งหมด และสามารถใช้แกโดลิเนียมจำนวนเล็กน้อยเพื่อควบคุมการทำงานปกติของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ด้วยเหตุนี้ เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเบาที่ใช้แกโดลิเนียมและแกนควบคุมแกโดลิเนียมจึงถือกำเนิดขึ้น ซึ่งสามารถปรับปรุงความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในขณะที่ลดต้นทุนได้

แกโดลิเนียมยังมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยมและสามารถนำมาใช้สร้างตัวแยกแสงได้ คล้ายกับไดโอดในวงจรหรือที่เรียกว่าไดโอดเปล่งแสง ไดโอดเปล่งแสงประเภทนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้แสงส่องผ่านในทิศทางเดียวเท่านั้น แต่ยังปิดกั้นการสะท้อนของเสียงสะท้อนในใยแก้วนำแสง ทำให้มั่นใจได้ถึงความบริสุทธิ์ของการส่งสัญญาณแสงและปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งผ่านของคลื่นแสง แกโดลิเนียมแกลเลียมโกเมนเป็นหนึ่งในวัสดุตั้งต้นที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตตัวแยกแสง