ว่ากันว่าการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุเท่านั้นที่สามารถปรับปรุงได้

การบริโภคธาตุหายากในประเทศหนึ่งๆ สามารถใช้เพื่อกำหนดระดับอุตสาหกรรมได้ วัสดุ ส่วนประกอบ และอุปกรณ์ระดับสูง แม่นยำ และขั้นสูงใดๆ ไม่สามารถแยกออกจากโลหะหายากได้ ทำไมเหล็กชนิดเดียวกันถึงทำให้เหล็กชนิดอื่นทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าคุณ? เป็นสปินเดิลของเครื่องมือกลแบบเดียวกับที่อื่นทนทานและแม่นยำกว่าคุณหรือเปล่า? เป็นผลึกเดี่ยวที่คนอื่นสามารถมีอุณหภูมิสูงถึง 1,650 ° C ได้หรือไม่? ทำไมกระจกของคนอื่นถึงมีดัชนีการหักเหของแสงสูงขนาดนี้? เหตุใดโตโยต้าจึงสามารถบรรลุประสิทธิภาพเชิงความร้อนของรถยนต์สูงสุดในโลกที่ 41% ได้ ทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับการใช้โลหะหายาก

โลหะหายากของโลกหรือที่รู้จักกันในชื่อธาตุหายาก เป็นคำเรียกรวมของธาตุทั้ง 17 ประการสแกนเดียม, อิตเทรียมและอนุกรมแลนทาไนด์ในตารางธาตุกลุ่ม IIIB โดยทั่วไปแสดงด้วย R หรือ RE สแกนเดียมและอิตเทรียมถือเป็นธาตุหายากเพราะมักอยู่ร่วมกับธาตุแลนทาไนด์ในแหล่งแร่และมีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายคลึงกัน

ต่างจากชื่อที่บอกเป็นนัย ความอุดมสมบูรณ์ของธาตุหายาก (ไม่รวมโพรมีเทียม) ในเปลือกโลกค่อนข้างสูง โดยซีเรียมอยู่ในอันดับที่ 25 ในด้านความอุดมสมบูรณ์ของธาตุในเปลือกโลก คิดเป็น 0.0068% (ใกล้เคียงกับทองแดง) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติทางธรณีวิทยาเคมี ธาตุหายากจึงไม่ค่อยได้รับการเสริมสมรรถนะให้อยู่ในระดับที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ในเชิงเศรษฐกิจ ชื่อของธาตุหายากนั้นมาจากความขาดแคลน แร่หายากชนิดแรกที่มนุษย์ค้นพบคือแร่ซิลิกอนเบริลเลียม อิตเทรียมที่สกัดจากเหมืองในหมู่บ้านอิเทอร์บี ประเทศสวีเดน ซึ่งมีต้นกำเนิดชื่อธาตุหายากมากมาย

ชื่อและสัญลักษณ์ทางเคมีของพวกเขาคือSc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Yb และ Lu เลขอะตอมของพวกเขาคือ 21 (Sc), 39 (Y), 57 (La) ถึง 71 (Lu)

ประวัติการค้นพบธาตุหายาก

ในปี ค.ศ. 1787 CA Arrhenius ของสวีเดนค้นพบแร่โลหะสีดำโลหะหายากในเมืองเล็กๆ แห่ง Ytterby ใกล้สตอกโฮล์ม ในปี พ.ศ. 2337 ชาวฟินแลนด์ เจ. กาโดลิน ได้แยกสารใหม่ออกจากมัน สามปีต่อมา (พ.ศ. 2340) เอจีเอเคเบิร์กของสวีเดนยืนยันการค้นพบนี้และตั้งชื่อสารใหม่อิตเทรีย (อิตเทรียมเอิร์ธ) ตามสถานที่ที่ถูกค้นพบ ต่อมาเพื่อระลึกถึงแกโดลิไนต์ แร่ประเภทนี้จึงถูกเรียกว่าแกโดลิไนต์ ในปี 1803 นักเคมีชาวเยอรมัน MH Klaproth นักเคมีชาวสวีเดน JJ Berzelius และ W. Hisinger ค้นพบสารใหม่ - ซีเรีย - จากแร่ (แร่ซิลิเกตซีเรียม) ในปี ค.ศ. 1839 ชาวสวีเดน CG Mosander ค้นพบแลนทานัม ในปี ค.ศ. 1843 มูซันเดอร์ค้นพบเทอร์เบียมและเออร์เบียมอีกครั้ง ในปี พ.ศ. 2421 Swiss Marinac ค้นพบอิตเทอร์เบียม ในปี พ.ศ. 2422 ชาวฝรั่งเศสค้นพบซาแมเรียม ชาวสวีเดนค้นพบโฮลเมียมและทูเลียม และชาวสวีเดนค้นพบสแกนเดียม ในปี พ.ศ. 2423 Swiss Marinac ค้นพบแกโดลิเนียม ในปี พ.ศ. 2428 ชาวออสเตรีย A. von Wels bach ค้นพบพราซีโอไดเมียมและนีโอไดเมียม ในปี พ.ศ. 2429 บูวาบาดรันด์ค้นพบดิสโพรเซียม ในปี 1901 ชาวฝรั่งเศส EA Demarcay ค้นพบยูโรเพียม ในปี 1907 ชาวฝรั่งเศส G. Urban ค้นพบลูทีเซียม ในปี 1947 ชาวอเมริกัน เช่น JA Marinsky ได้รับโพรมีเทียมจากผลิตภัณฑ์ฟิชชันของยูเรเนียม ใช้เวลากว่า 150 ปีนับตั้งแต่กาโดลินแยกดินอิตเทรียมในปี พ.ศ. 2337 จนถึงการผลิตโพรมีเทียมในปี พ.ศ. 2490

การประยุกต์ใช้ธาตุหายาก

ธาตุหายากเป็นที่รู้จักในชื่อ "วิตามินอุตสาหกรรม" และมีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก แสง และไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมอย่างไม่อาจทดแทนได้ มีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ เพิ่มความหลากหลายของผลิตภัณฑ์ และปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต เนื่องจากมีผลอย่างมากและมีปริมาณน้อย ธาตุหายากจึงกลายเป็นองค์ประกอบสำคัญในการปรับปรุงโครงสร้างผลิตภัณฑ์ เพิ่มเนื้อหาทางเทคโนโลยี และส่งเสริมความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของอุตสาหกรรม มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาต่างๆ เช่น โลหะวิทยา การทหาร ปิโตรเคมี แก้วเซรามิก การเกษตร และวัสดุใหม่

อุตสาหกรรมโลหะวิทยา

แผ่นดินหายากได้ถูกนำไปใช้ในสาขาโลหะวิทยามานานกว่า 30 ปี และได้สร้างเทคโนโลยีและกระบวนการที่ค่อนข้างเป็นผู้ใหญ่ การใช้แรร์เอิร์ธในเหล็กและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่และหลากหลายและมีโอกาสในวงกว้าง การเติมโลหะหายาก ฟลูออไรด์ และซิลิไซด์ลงในเหล็กสามารถมีบทบาทในการกลั่น การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ การทำให้สิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายที่มีจุดหลอมเหลวต่ำเป็นกลาง และปรับปรุงประสิทธิภาพการประมวลผลของเหล็ก โลหะผสมเหล็กซิลิกอนของธาตุหายากและโลหะผสมแมกนีเซียมของซิลิกอนของธาตุหายากถูกนำมาใช้เป็นสารทำให้เกิดทรงกลมเพื่อผลิตเหล็กเหนียวของธาตุหายาก เนื่องจากความเหมาะสมเป็นพิเศษในการผลิตชิ้นส่วนเหล็กดัดที่ซับซ้อนซึ่งมีความต้องการพิเศษ เหล็กดัดประเภทนี้จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องจักรกล เช่น รถยนต์ รถแทรกเตอร์ และเครื่องยนต์ดีเซล การเติมโลหะหายากลงในโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น แมกนีเซียม อลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี และนิกเกิล สามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโลหะผสมได้ เช่นเดียวกับเพิ่มอุณหภูมิห้องและคุณสมบัติทางกลที่อุณหภูมิสูง
สนามทหาร

เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม เช่น โฟโตอิเล็กทริกและแม่เหล็ก ธาตุหายากจึงสามารถสร้างวัสดุใหม่ได้หลากหลายด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกัน และปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อื่นๆ ได้อย่างมาก ดังนั้นจึงเรียกว่า "ทองคำอุตสาหกรรม" ประการแรก การเพิ่มธาตุหายากสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพทางยุทธวิธีของเหล็ก โลหะผสมอลูมิเนียม โลหะผสมแมกนีเซียม และโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้ในการผลิตรถถัง เครื่องบิน และขีปนาวุธได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ธาตุหายากยังสามารถใช้เป็นสารหล่อลื่นสำหรับการใช้งานเทคโนโลยีขั้นสูงหลายประเภท เช่น อิเล็กทรอนิกส์ เลเซอร์ อุตสาหกรรมนิวเคลียร์ และตัวนำยิ่งยวด เมื่อเทคโนโลยีแรร์เอิร์ธถูกนำมาใช้ในการทหาร จะทำให้เกิดการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในเทคโนโลยีทางการทหารอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในแง่หนึ่ง การควบคุมอย่างล้นหลามของกองทัพสหรัฐฯ ในสงครามท้องถิ่นหลายครั้งหลังสงครามเย็น ตลอดจนความสามารถในการสังหารศัตรูอย่างเปิดเผยโดยไม่ต้องรับโทษนั้น เกิดขึ้นจากเทคโนโลยีธาตุหายาก เช่น ซูเปอร์แมน

อุตสาหกรรมปิโตรเคมี

ธาตุหายากสามารถนำมาใช้สร้างตัวเร่งปฏิกิริยาตะแกรงโมเลกุลในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีได้ โดยมีข้อดี เช่น มีฤทธิ์สูง มีการคัดเลือกที่ดี และต้านทานพิษจากโลหะหนักได้ดี ดังนั้นพวกเขาจึงได้เปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิเนียมซิลิเกตสำหรับกระบวนการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาปิโตรเลียม ในกระบวนการผลิตแอมโมเนียสังเคราะห์ ไนเตรตธาตุหายากจำนวนเล็กน้อยจะถูกนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโคคาตาลิสต์ และความสามารถในการแปรรูปก๊าซนั้นใหญ่กว่าตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลอลูมิเนียมถึง 1.5 เท่า ในกระบวนการสังเคราะห์ยาง cis-1,4-โพลีบิวทาไดอีนและยางไอโซพรีน ผลิตภัณฑ์ที่ได้รับโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิเนียมไซโคลอัลคาโนเอตไตรไอโซบิวทิลอะลูมิเนียมที่หายากมีสมรรถนะที่ยอดเยี่ยม โดยมีข้อดี เช่น อุปกรณ์แขวนกาวน้อยลง การทำงานที่มั่นคง และกระบวนการหลังการบำบัดที่สั้น ; คอมโพสิตแรร์เอิร์ธออกไซด์ยังสามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการทำให้ก๊าซไอเสียบริสุทธิ์จากเครื่องยนต์สันดาปภายใน และซีเรียมแนฟทีเนตยังสามารถใช้เป็นสารทำให้แห้งด้วยสีได้อีกด้วย

แก้วเซรามิก

การใช้ธาตุหายากในอุตสาหกรรมแก้วและเซรามิกของจีนได้เพิ่มขึ้นในอัตราเฉลี่ย 25% ตั้งแต่ปี 1988 หรือแตะประมาณ 1,600 ตันในปี 1998 เซรามิกแก้วธาตุหายากไม่ได้เป็นเพียงวัสดุพื้นฐานแบบดั้งเดิมสำหรับอุตสาหกรรมและชีวิตประจำวันเท่านั้น แต่ยังเป็น สมาชิกหลักของสาขาเทคโนโลยีขั้นสูง ออกไซด์ของธาตุหายากหรือแร่ธาตุหายากที่ผ่านการแปรรูปสามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นผงขัดเงาสำหรับแก้วแสง เลนส์แว่นตา หลอดภาพ หลอดออสซิลโลสโคป แก้วแบน พลาสติก และเครื่องใช้บนโต๊ะอาหารที่เป็นโลหะ ในกระบวนการหลอมแก้ว สามารถใช้ซีเรียมไดออกไซด์เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันรุนแรงกับเหล็ก ช่วยลดปริมาณธาตุเหล็กในแก้ว และบรรลุเป้าหมายในการขจัดสีเขียวออกจากแก้ว การเติมแรร์เอิร์ธออกไซด์สามารถผลิตแก้วแสงและกระจกพิเศษเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันได้ รวมถึงแก้วที่สามารถดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต กระจกทนกรดและความร้อน กระจกทนรังสีเอกซ์ ฯลฯ การเพิ่มธาตุหายากลงในเคลือบเซรามิกและพอร์ซเลนสามารถลดการกระจายตัวของเคลือบ และทำให้ผลิตภัณฑ์มีสีและความเงาที่แตกต่างกัน ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซรามิก

เกษตรกรรม

ผลการวิจัยระบุว่าธาตุหายากสามารถเพิ่มปริมาณคลอโรฟิลล์ของพืช เพิ่มการสังเคราะห์ด้วยแสง ส่งเสริมการพัฒนาของราก และเพิ่มการดูดซึมสารอาหารทางราก ธาตุหายากยังสามารถส่งเสริมการงอกของเมล็ด เพิ่มอัตราการงอกของเมล็ด และส่งเสริมการเจริญเติบโตของต้นกล้า นอกเหนือจากหน้าที่หลักที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ยังมีความสามารถในการเพิ่มความต้านทานโรค ความต้านทานต่อความเย็น และความต้านทานต่อความแห้งแล้งของพืชบางชนิดอีกด้วย การศึกษาจำนวนมากยังแสดงให้เห็นว่าการใช้ธาตุหายากที่มีความเข้มข้นที่เหมาะสมสามารถส่งเสริมการดูดซึม การเปลี่ยนแปลง และการใช้ประโยชน์ของสารอาหารของพืชได้ การพ่นธาตุหายากจะช่วยเพิ่มปริมาณ Vc ปริมาณน้ำตาลทั้งหมด และอัตราส่วนกรดน้ำตาลของผลไม้แอปเปิ้ลและผลไม้รสเปรี้ยว ช่วยให้ผลไม้มีสีสันและทำให้สุกเร็ว และสามารถระงับความเข้มข้นของการหายใจระหว่างการเก็บรักษาและลดอัตราการสลายตัว

ฟิลด์วัสดุใหม่

วัสดุแม่เหล็กถาวรเหล็กโบรอนธาตุนีโอไดเมียมที่หายากซึ่งมีการรีแมนเนตสูง แรงบังคับสูง และผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กสูง ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และการบินและอวกาศและการขับเคลื่อนกังหันลม (เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโรงไฟฟ้านอกชายฝั่ง) ผลึกเดี่ยวเฟอร์ไรต์ชนิดโกเมนและโพลีคริสตัลที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวของแรร์เอิร์ธออกไซด์บริสุทธิ์และเฟอร์ริกออกไซด์สามารถใช้ในอุตสาหกรรมไมโครเวฟและอิเล็กทรอนิกส์ โกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียมและแก้วนีโอไดเมียมที่ทำจากนีโอไดเมียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถใช้เป็นวัสดุเลเซอร์ที่เป็นของแข็ง เฮกซาโบไรด์ของธาตุหายากสามารถใช้เป็นวัสดุแคโทดสำหรับการปล่อยอิเล็กตรอน โลหะนิกเกิลแลนทานัมเป็นวัสดุกักเก็บไฮโดรเจนที่พัฒนาขึ้นใหม่ในปี 1970 แลนทานัมโครเมตเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกอุณหภูมิสูง ปัจจุบัน ประเทศต่างๆ ทั่วโลกได้สร้างความก้าวหน้าในการพัฒนาวัสดุตัวนำยิ่งยวดโดยใช้ออกไซด์ที่มีแบเรียมเป็นส่วนประกอบซึ่งดัดแปลงด้วยองค์ประกอบออกซิเจนทองแดงแบเรียมอิตเทรียม ซึ่งสามารถรับตัวนำยิ่งยวดในช่วงอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวได้ นอกจากนี้ ธาตุหายากยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการให้แสงสว่างโดยใช้วิธีการต่าง ๆ เช่น ผงฟลูออเรสเซนต์ ผงฟลูออเรสเซนต์แบบเข้มข้น ผงฟลูออเรสเซนต์สีหลักสามสี และผงโคมไฟคัดลอก (แต่เนื่องจากต้นทุนที่สูงเกิดจากราคาของธาตุหายากที่เพิ่มสูงขึ้น การใช้งานด้านแสงสว่างจะค่อยๆ ลดลง) เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น โทรทัศน์และแท็บเล็ตแบบฉายภาพ ในการเกษตร การใช้ไนเตรตธาตุหายากในปริมาณเล็กน้อยกับพืชไร่สามารถเพิ่มผลผลิตได้ 5-10% ในอุตสาหกรรมสิ่งทอชนิดเบา แรร์เอิร์ธคลอไรด์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการฟอกหนัง การย้อมขนสัตว์ การย้อมขนสัตว์ และการย้อมพรม ธาตุหายากสามารถใช้ในเครื่องฟอกไอเสียรถยนต์เพื่อแปลงมลพิษหลักให้เป็นสารประกอบที่ไม่เป็นพิษระหว่างไอเสียของเครื่องยนต์

การใช้งานอื่นๆ

นอกจากนี้ ธาตุหายากยังนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์ดิจิทัลต่างๆ รวมถึงอุปกรณ์ภาพและเสียง ภาพถ่าย และการสื่อสาร ซึ่งตรงตามข้อกำหนดหลายประการ เช่น มีขนาดเล็กลง เร็วขึ้น เบาขึ้น ใช้เวลาในการใช้งานนานขึ้น และการอนุรักษ์พลังงาน ในเวลาเดียวกัน ยังได้นำไปใช้กับหลายสาขา เช่น พลังงานสีเขียว การดูแลสุขภาพ การทำน้ำให้บริสุทธิ์ และการขนส่ง