יסוד נדיר קסום של אדמה: טרביום

טרביוםשייך לקטגוריה של כבדיםאדמה נדירה, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ של 1.1 ppm בלבד. תחמוצת טרביום מהווה פחות מ-0.01% מכלל יסודות האדמה הנדירה. אפילו בעפרת אדמה נדירה כבדה מסוג יוני איטריום גבוהים עם תכולת הטרביום הגבוהה ביותר, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מכלל יסודות האדמה הנדירה, דבר המצביע על כך שהיא שייכת לקטגוריה "האצילית" של יסודות אדמה נדירים. במשך למעלה מ-100 שנה, מאז גילוי הטרביום בשנת 1843, נדירותו וערכה מנעו את יישומו המעשי במשך זמן רב. רק ב-30 השנים האחרונות הטרביום הראה את כישרונו הייחודי.

גילוי היסטוריה

הכימאי השוודי קרל גוסטב מוסנדר גילה את הטרביום בשנת 1843. הוא מצא את זיהומיו באיטריום(III) תחמוצתוY2O3איטריום נקרא על שם הכפר איטרבי בשוודיה. לפני הופעתה של טכנולוגיית חילוף יונים, טרביום לא בודד בצורתו הטהורה.

מוסאנט חילק לראשונה את תחמוצת איטריום(III) לשלושה חלקים, כולם נקראים על שם עפרות: תחמוצת איטריום(III),תחמוצת ארביום(III), ותחמוצת טרביום. תחמוצת טרביום הורכבה במקור מחלק ורוד, בשל היסוד המכונה כיום ארביום. "תחמוצת ארביום(III)" (כולל מה שאנו מכנים כיום טרביום) הייתה במקור החלק חסר הצבע במהותו בתמיסה. התחמוצת הבלתי מסיסה של יסוד זה נחשבת לחומה.

עובדים מאוחרים יותר בקושי יכלו להבחין ב"תחמוצת ארביום(III)" הזעירה חסרת הצבע, אך לא ניתן היה להתעלם מהחלק הוורוד המסיס. ויכוחים על קיומה של תחמוצת ארביום(III) צצו שוב ושוב. בכאוס, השם המקורי התהפך וחילופי השמות נותרו תקועים, כך שהחלק הוורוד הוזכר בסופו של דבר כתמיסה המכילה ארביום (בתמיסה, הוא היה ורוד). כיום מאמינים שעובדים המשתמשים בנתרן ביסולפט או אשלגן גופרתי נוטלים...תחמוצת צריום (IV)מתוך תחמוצת איטריום(III) ולהפוך, שלא במתכוון, את הטרביום למשקע המכיל צריום. רק כ-1% מתחמוצת איטריום(III) המקורית, המכונה כיום "טרביום", מספיקה כדי להעביר צבע צהבהב לתחמוצת איטריום(III). לכן, טרביום הוא מרכיב משני שהכיל אותו בתחילה, והוא נשלט על ידי שכניו המיידיים, גדוליניום ודיספרוסיום.

לאחר מכן, בכל פעם שיסודות אדמה נדירים אחרים הופרדו מתערובת זו, ללא קשר ליחס התחמוצת, השם טרביום נשמר עד שלבסוף, התקבלה התחמוצת החומה של טרביום בצורתה הטהורה. חוקרים במאה ה-19 לא השתמשו בטכנולוגיית פלואורסצנציה אולטרה סגולה כדי לצפות בגושים צהובים או ירוקים בהירים (III), מה שהקל על זיהוי טרביום בתערובות או תמיסות מוצקות.
תצורת אלקטרונים

תצורת אלקטרונים:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

תצורת האלקטרונים של טרביום היא [Xe] 6s24f9. בדרך כלל, ניתן להסיר רק שלושה אלקטרונים לפני שהמטען הגרעיני הופך גדול מדי מכדי שניתן יהיה ליינן אותו עוד יותר, אך במקרה של טרביום, טרביום מלא למחצה מאפשר ליינן נוסף של האלקטרון הרביעי בנוכחות מחמצנים חזקים מאוד כמו גז פלואור.

מתכת טרביום

טרביום הוא מתכת אדמה נדירה בצבע כסוף לבן בעלת גמישות, קשיחות ורכות הניתנים לחיתוך בסכין. נקודת התכה 1360 ℃, נקודת רתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229-4 ק"ג/מ"ק. בהשוואה ללנתניד המוקדם, הוא יציב יחסית באוויר. בתור היסוד התשיעי של לנתניד, טרביום הוא מתכת בעלת חשמל חזק. הוא מגיב עם מים ליצירת מימן.

בטבע, טרביום מעולם לא נמצא כיסוד חופשי, וכמות קטנה ממנו קיימת בחול פוספוצריום-תוריום ובגדוליניט. טרביום קיים יחד עם יסודות אדמה נדירים אחרים בחול מונזיט, עם תכולת טרביום של בדרך כלל 0.03%. מקורות נוספים הם קסנוטים ועפרות זהב שחור נדיר, שניהם תערובות של תחמוצות ומכילים עד 1% טרביום.

בַּקָשָׁה

השימוש בטרביום כרוך בעיקר בתחומי היי-טק, שהם פרויקטים חדשניים עתירי טכנולוגיה וידע, כמו גם פרויקטים בעלי יתרונות כלכליים משמעותיים, עם סיכויי פיתוח אטרקטיביים.

תחומי היישום העיקריים כוללים:

(1) משמש בצורת תערובת של אדמה נדירה. לדוגמה, הוא משמש כדשן מורכב של אדמה נדירה ותוסף מזון לחקלאות.

(2) מפעיל לאבקה ירוקה בשלוש אבקות פלואורסצנטיות עיקריות. חומרים אופטואלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעי זרחן בסיסיים, דהיינו אדום, ירוק וכחול, בהם ניתן להשתמש כדי לסנתז צבעים שונים. וטרביום הוא מרכיב חיוני באבקות פלואורסצנטיות ירוקות רבות באיכות גבוהה.

(3) משמש כחומר אחסון מגנטו-אופטי. שכבות דקות מסגסוגת מתכת מעבר אמורפית של טרביום שימשו לייצור דיסקים מגנטו-אופטיים בעלי ביצועים גבוהים.

(4) ייצור זכוכית מגנטו-אופטית. זכוכית סיבובית של פאראדיי המכילה טרביום היא חומר מפתח לייצור מסובבים, מבודדים ומעגלים בטכנולוגיית לייזר.

(5) הפיתוח והפיתוח של סגסוגת טרפנול (TerFenol) פרומגנטוסטריקטיבית של טרביום דיספרוזיום פתחו יישומים חדשים עבור טרביום.

לחקלאות ולגידול בעלי חיים

טרביום, אדמה נדירה, יכול לשפר את איכות הגידולים ולהגביר את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוזים מסוים. לקומפלקסים של טרביום פעילות ביולוגית גבוהה. לקומפלקסים טרנריים של טרביום, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, יש השפעות אנטיבקטריאליות וקוטלות חיידקים טובות על סטפילוקוקוס אאורוס, בצילוס סובטיליס ואשריכיה קולי. יש להם ספקטרום אנטיבקטריאלי רחב. המחקר של קומפלקסים כאלה מספק כיוון מחקר חדש לתרופות אנטיבקטריאליות מודרניות.

בשימוש בתחום הלומינסנציה

חומרים אופטואלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעי זרחן בסיסיים, דהיינו אדום, ירוק וכחול, בהם ניתן להשתמש כדי לסנתז צבעים שונים. וטרביום הוא מרכיב הכרחי באבקות פלואורסצנטיות ירוקות איכותיות רבות. אם לידתה של אבקת פלואורסצנטיות אדומה של צבעי אדמה נדירה עוררה את הביקוש לאיטריום ואירופיום, הרי שהיישום והפיתוח של טרביום קודמו על ידי אבקת פלואורסצנטיות ירוקה של שלושה צבעים ראשוניים של אדמה נדירה עבור מנורות. בתחילת שנות ה-80, פיליפס המציאה את מנורת הפלואורסצנטיות החוסכת באנרגיה הקומפקטית הראשונה בעולם וקידמה אותה במהירות ברחבי העולם. יוני Tb3+ יכולים לפלוט אור ירוק באורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל הזרחנים הירוקים של אדמה נדירה משתמשים בטרביום כמפעיל.

הזרחן הירוק עבור שפופרת קרן קתודית (CRT) לטלוויזיות צבעוניות תמיד התבסס על אבץ גופרתי, שהוא זול ויעיל, אך אבקת הטרביום תמיד שימשה כזרחן ירוק עבור טלוויזיות צבעוניות להקרנה, כולל Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ ו-LaOBr ∶ Tb3+. עם התפתחות טלוויזיה בהבחנה גבוהה (HDTV) עם מסך גדול, מפותחות גם אבקות פלואורסצנטיות ירוקות בעלות ביצועים גבוהים עבור CRT. לדוגמה, פותחה בחו"ל אבקה פלואורסצנטית ירוקה היברידית, המורכבת מ-Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ ו-Y2SiO5:Tb3+, בעלות יעילות הארה מצוינת בצפיפות זרם גבוהה.

אבקת פלואורסצנט מסורתית לקרני רנטגן היא טונגסטט סידן. בשנות ה-70 וה-80 פותחו זרחנים נדירים להגברת מסכי הקרנה, כגון תחמוצת לנתן המופעלת על ידי טרביום, תחמוצת לנתן המופעלת על ידי טרביום (למסכים ירוקים), תחמוצת איטריום (III) גופרית המופעלת על ידי טרביום וכו'. בהשוואה לטונגסטט סידן, אבקת פלואורסצנט נדירה יכולה להפחית את זמן הקרנת הרנטגן עבור חולים ב-80%, לשפר את הרזולוציה של סרטי רנטגן, להאריך את תוחלת החיים של שפופרות רנטגן ולהפחית את צריכת האנרגיה. טרביום משמש גם כמפעיל אבקת פלואורסצנט עבור מסכי שיפור קרני רנטגן רפואיים, מה שיכול לשפר מאוד את רגישות המרת קרני רנטגן לתמונות אופטיות, לשפר את בהירות סרטי רנטגן ולהפחית מאוד את מינון החשיפה של קרני רנטגן לגוף האדם (ביותר מ-50%).

טרביום משמש גם כמפעיל בזרחני LED לבן המעוררים על ידי אור כחול עבור תאורת מוליכים למחצה חדשה. ניתן להשתמש בו לייצור זרחנים מגנטו-אופטיים מאלומיניום טרביום, תוך שימוש בדיודות פולטות אור כחול כמקורות אור עירור, והפלואורסצנציה שנוצרת מעורבבת עם אור העירור ליצירת אור לבן טהור.

חומרים אלקטרולומינסנטיים העשויים מטרביום כוללים בעיקר זרחן ירוק מסוג אבץ גופרתי עם טרביום כמפעיל. תחת קרינה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנציה ירוקה חזקה וניתן להשתמש בהם כחומרים אלקטרולומינסנטיים בעלי שכבה דקה. למרות שהושגה התקדמות משמעותית בחקר שכבות דקות אלקטרולומינסנטיות מורכבות של חומרים אורגניים נדירים, עדיין קיים פער מסוים מהמעשיות, והמחקר על שכבות דקות והתקנים אלקטרולומינסנטיים מורכבים של חומרים אורגניים נדירים עדיין נמצא בעיצומם.

מאפייני הפלואורסצנציה של טרביום משמשים גם כגשושי פלואורסצנציה. לדוגמה, גלאי פלואורסצנציה של Ofloxacin terbium (Tb3+) שימש לחקר האינטראקציה בין קומפלקס Ofloxacin terbium (Tb3+) לבין DNA (DNA) באמצעות ספקטרום פלואורסצנציה וספקטרום בליעה, דבר המצביע על כך שגלאי Ofloxacin Tb3+ יכול ליצור קשירת חריץ עם מולקולות DNA, ו-DNA יכול לשפר משמעותית את הפלואורסצנציה של מערכת Ofloxacin Tb3+. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע את ה-DNA.

עבור חומרים מגנטו-אופטיים

חומרים בעלי אפקט פאראדיי, הידועים גם כחומרים מגנטו-אופטיים, נמצאים בשימוש נרחב בלייזרים ובמכשירים אופטיים אחרים. ישנם שני סוגים נפוצים של חומרים מגנטו-אופטיים: גבישים מגנטו-אופטיים וזכוכית מגנטו-אופטית. ביניהם, גבישים מגנטו-אופטיים (כגון גארנט איטריום ברזל וגרנט טרביום גליום) בעלי יתרונות של תדר פעולה מתכוונן ויציבות תרמית גבוהה, אך הם יקרים וקשים לייצור. בנוסף, גבישים מגנטו-אופטיים רבים בעלי זווית סיבוב פאראדיי גבוהה בעלי ספיגה גבוהה בטווח הגל הקצר, דבר המגביל את השימוש בהם. בהשוואה לגבישים מגנטו-אופטיים, לזכוכית מגנטו-אופטית יש יתרון של העברה גבוהה וקל לייצור ממנה בלוקים גדולים או סיבים. כיום, זכוכית מגנטו-אופטית בעלי אפקט פאראדיי גבוה מורכבת בעיקר מזכוכית מסוממת ביונים נדירים.

משמש לחומרי אחסון מגנטו אופטיים

בשנים האחרונות, עם ההתפתחות המהירה של המולטימדיה ואוטומציה משרדית, הביקוש לדיסקים מגנטיים חדשים בעלי קיבולת גבוהה הולך וגדל. סרטי סגסוגת מתכת מעבר אמורפית מסוג טרביום (Terbium) שימשו לייצור דיסקים מגנטו-אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. ביניהם, הסרט הדק מסגסוגת TbFeCo בעל הביצועים הטובים ביותר. חומרים מגנטו-אופטיים מבוססי טרביום יוצרו בקנה מידה גדול, ודיסקים מגנטו-אופטיים העשויים מהם משמשים כרכיבי אחסון למחשבים, כאשר קיבולת האחסון גדלה פי 10-15. יש להם יתרונות של קיבולת גדולה ומהירות גישה מהירה, וניתן למחוק ולציפות אותם עשרות אלפי פעמים כאשר משתמשים בהם לדיסקים אופטיים בצפיפות גבוהה. הם חומרים חשובים בטכנולוגיית אחסון מידע אלקטרוני. החומר המגנטו-אופטי הנפוץ ביותר בתחומי הנראה והקרוב לאינפרא אדום הוא גביש יחיד מסוג טרביום גליום גארנט (TGG), שהוא החומר המגנטו-אופטי הטוב ביותר לייצור מסובבי ומבודדים של פאראדיי.

עבור זכוכית מגנטו אופטית

לזכוכית מגנטו אופטית של פאראדיי יש שקיפות ואיזוטרופיה טובות באזורים הנראה והאינפרא אדום, ויכולה ליצור צורות מורכבות שונות. קל לייצר ממנה מוצרים גדולים וניתן למשוך אותה לסיבים אופטיים. לכן, יש לה אפשרויות יישום רחבות במכשירים מגנטו אופטיים כגון מבודדים אופטיים מגנטו, מודולטורים אופטיים מגנטו וחיישני זרם סיבים אופטיים. בשל המומנט המגנטי הגדול שלה ומקדם הבליעה הקטן שלה בטווח הנראה והאינפרא אדום, יוני Tb3+ הפכו ליוני אדמה נדירה נפוצים במשקפי מגנטו אופטיים.

סגסוגת פרומגנטית-סטריקטיבית של טרביום דיספרוזיום

בסוף המאה ה-20, עם העמקת המהפכה המדעית והטכנולוגית העולמית, צצו במהירות חומרים יישומיים חדשים של אדמה נדירה. בשנת 1984, אוניברסיטת מדינת איווה של ארצות הברית, מעבדת איימס של משרד האנרגיה של ארצות הברית ומרכז המחקר של נשק שטח של חיל הים האמריקאי (הצוות העיקרי של חברת טכנולוגיית הקצה האמריקאית (ET REMA) שהוקמה מאוחר יותר הגיע מהמרכז) פיתחו במשותף חומר חכם חדש של אדמה נדירה, כלומר חומר מגנטוסטריקטיבי ענק של ברזל טרביום דיספרוזיום. לחומר חכם חדש זה מאפיינים מצוינים של המרת אנרגיה חשמלית מהירה לאנרגיה מכנית. מתמרים תת-ימיים ואלקטרו-אקוסטיים העשויים מחומר מגנטוסטריקטיבי ענק זה הותאמו בהצלחה בציוד ימי, רמקולים לגילוי בארות נפט, מערכות בקרת רעש ורעידות, ומערכות תקשורת תת-קרקעיות וחקר אוקיינוס. לכן, ברגע שנולד החומר המגנטוסטריקטיבי ענק של ברזל טרביום דיספרוזיום, הוא זכה לתשומת לב רבה מצד מדינות מתועשות ברחבי העולם. חברת Edge Technologies בארצות הברית החלה לייצר חומרים מגנטוסטריקטיביים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום בשנת 1989 וקראה להם טרפנול D. לאחר מכן, שוודיה, יפן, רוסיה, בריטניה ואוסטרליה פיתחו גם הן חומרים מגנטוסטריקטיביים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום.

מההיסטוריה של פיתוח חומר זה בארצות הברית, הן המצאת החומר והן יישומיו המונופוליסטיים המוקדמים קשורים ישירות לתעשייה הצבאית (כגון חיל הים). למרות שמשרדי הצבא וההגנה של סין מחזקים בהדרגה את הבנתם בחומר זה. עם זאת, לאחר שכוחה הלאומי המקיף של סין גדל משמעותית, הדרישות למימוש האסטרטגיה התחרותית הצבאית במאה ה-21 ולשיפור רמת הציוד יהיו בוודאי דחופות מאוד. לכן, השימוש הנרחב בחומרי ענק מגנטוסטריקטיביים של ברזל טרביום דיספרוזיום על ידי משרדי הצבא וההגנה הלאומיים יהיה הכרח היסטורי.

בקיצור, התכונות המצוינות הרבות של הטרביום הופכות אותו לחבר הכרחי בחומרים פונקציונליים רבים ולמקום שאין לו תחליף בתחומים מסוימים. עם זאת, בשל מחירו הגבוה של הטרביום, אנשים חוקרים כיצד להימנע ולמזער את השימוש בטרביום על מנת להפחית את עלויות הייצור. לדוגמה, חומרים מגנטו-אופטיים נדירים צריכים להשתמש גם בדיספרוזיום ברזל קובלט או גדוליניום טרביום קובלט בעלות נמוכה ככל האפשר; נסו להפחית את תכולת הטרביום באבקה הפלואורסצנטית הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בטרביום. אבל חומרים פונקציונליים רבים לא יכולים להסתדר בלעדיו, ולכן עלינו לדבוק בעיקרון של "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לחסוך בשימוש בטרביום ככל האפשר.