יסוד אדמה נדיר קסום: "מלך המגנט הקבוע" - ניאודימיום

בסטנסיט

ניאודימיום, מספר אטומי 60, משקל אטומי 144.24, עם תכולה של 0.00239% בקרום, קיים בעיקר במונאזיט ובבסטנזיט. ישנם שבעה איזוטופים של ניאודימיום בטבע: ניאודימיום 142, 143, 144, 145, 146, 148 ו-150, שביניהם ניאודימיום 142 בעל התכולה הגבוהה ביותר. עם לידתו של פרסאודימיום, נוצר ניאודימיום. הגעתו של ניאודימיום הפעילה את תחום אבני החן הנדירות ומילאה תפקיד חשוב בו, ומשפיעה על שוק אבני החן הנדירות.

גילוי הניאודימיום

קרל אורבון ולסבאך (1858-1929), מגלה הנאודימיום

בשנת 1885, הכימאי האוסטרי קרל אורפון ולסבאך גילה את הניאודימיום בווינה. הוא הפריד ניאודימיום ופראזאודימיום מחומרים סימטריים של ניאודימיום על ידי הפרדה וגיבוש אמוניום חנקתי טטרה-הידרט מחומצה חנקתית, ובמקביל הפריד באמצעות אנליזה ספקטרלית, אך הוא לא הופרד בצורה טהורה יחסית עד 1925.

מאז שנות ה-50, ניאודימיום בעל טוהר גבוה (מעל 99%) הושג בעיקר בתהליך חילופי יונים של מונאזיט. המתכת עצמה מתקבלת על ידי אלקטרוליזה של מלח ההליד שלה. כיום, רוב הניאודימיום מופק מ-(Ce,La,Nd,Pr)CO3F בננתניט ומטוהר באמצעות מיצוי ממסים. טיהור חילופי יונים שומר על טוהר גבוה זה (בדרך כלל > 99.99%) להכנה. מכיוון שקשה להסיר את העקבות האחרונים של פרסאודימיום בעידן שבו הייצור תלוי בטכנולוגיית התגבשות מדורגת, זכוכית הניאודימיום המוקדמת שיוצרה בשנות ה-30 בעלת צבע סגול טהור יותר וגוון צבע אדום או כתום יותר מאשר הגרסה המודרנית.

מתכת ניאודימיום

לניאודימיום מתכתי ברק מתכתי כסוף בוהק, נקודת התכה של 1024 מעלות צלזיוס, צפיפות של 7.004 גרם/סמ"ר, ופרמגנטיות. ניאודימיום הוא אחד ממתכות האדמה הנדירות הפעילות ביותר, אשר מתחמצן במהירות ומתכהה באוויר, לאחר מכן יוצר שכבת תחמוצת ומתקלף, וחושף את המתכת לחמצון נוסף. לכן, דגימת ניאודימיום בגודל של סנטימטר אחד מתחמצנת לחלוטין תוך שנה. היא מגיבה לאט במים קרים ובמהירות במים חמים.

תצורה אלקטרונית של ניאודימיום

תצורה אלקטרונית:

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

ביצועי הלייזר של ניאודימיום נובעים ממעבר של אלקטרונים מסלוליים 4f בין רמות אנרגיה שונות. חומר לייזר זה נמצא בשימוש נרחב בתקשורת, אחסון מידע, טיפול רפואי, עיבוד שבבי וכו'. ביניהם, איטריום אלומיניום גארנט Y3Al5O12:Nd(YAG:Nd) נמצא בשימוש נרחב עם ביצועים מצוינים, וגדוליניום סקנדיום גליום מסומם ב-Nd עם יעילות גבוהה יותר.

יישום של ניאודימיום

המשתמש הגדול ביותר של ניאודימיום הוא חומר מגנט קבוע NdFeB. מגנט NdFeB מכונה "מלך המגנטים הקבועים" בשל תוצר האנרגיה המגנטית הגבוה שלו. הוא נמצא בשימוש נרחב באלקטרוניקה, מכונות ותעשיות אחרות בזכות ביצועיו המצוינים. פרנסיס וול, פרופסור לכרייה יישומית בבית הספר לכרייה קמברלנד, אוניברסיטת אקסטר, בריטניה, אמר: "מבחינת מגנטים, אין באמת שום דבר שיכול להתחרות בניאודימיום. הפיתוח המוצלח של ספקטרומטר אלפא מגנטי מעיד על כך שהתכונות המגנטיות של מגנטים NdFeB בסין הגיעו לרמה עולמית."

מגנט ניאודימיום על דיסק קשיח

ניתן להשתמש בניאודימיום לייצור קרמיקה, זכוכית סגולה בוהקת, אודם מלאכותי בלייזר וזכוכית מיוחדת שיכולה לסנן קרני אינפרא אדום. משמש יחד עם פרסאודימיום לייצור משקפי מגן למפוחי זכוכית.

הוספת 1.5% ~ 2.5% ננו-ניאודימיום תחמוצת לסגסוגת מגנזיום או אלומיניום יכולה לשפר את ביצועי הטמפרטורה הגבוהה, אטימות האוויר ועמידות בפני קורוזיה של הסגסוגת, והיא נמצאת בשימוש נרחב כחומר תעופה וחלל.

ננו-איטריום אלומיניום גארנט מסומם עם ננו-ניאודימיום אוקסיד מייצר קרן לייזר קצרת גל, הנמצאת בשימוש נרחב לריתוך וחיתוך חומרים דקים בעובי של פחות מ-10 מ"מ בתעשייה.

מוט לייזר Nd:YAG

בטיפול רפואי, לייזר ננו-איטריום אלומיניום גארנט מסומם עם ננו-ניאודימיום אוקסיד משמש להסרת פצעים כירורגיים או חיטוי פצעים במקום סכינים כירורגיות.

זכוכית ניאודימיום מיוצרת על ידי הוספת תחמוצת ניאודימיום לתוך זכוכית מותכת. לבנדר מופיע בדרך כלל בזכוכית ניאודימיום תחת אור שמש או מנורת ליבון, אך כחול בהיר מופיע תחת תאורת מנורת פלורסנט. ניתן להשתמש בניאודימיום לצביעת גוונים עדינים של זכוכית כגון סגול טהור, אדום יין ואפור חם.

זכוכית ניאודימיום

עם התפתחות המדע והטכנולוגיה וההתרחבות של מדע וטכנולוגיית אדמה נדירה, לניאודימיום יהיה מרחב ניצול רחב יותר.