יסוד נדיר קסום של אדמה: טרביום

טרביוםשייך לקטגוריה של אדמה נדירה כבדה, עם שכיחות נמוכה בקרום כדור הארץ של 1.1 ppm בלבד.תחמוצת טרביוםמהווה פחות מ-0.01% מכלל עפרות האדמה הנדירות. אפילו בעפרות אדמה נדירות כבדות מסוג עתיר יוני איטריום עם תכולת הטרביום הגבוהה ביותר, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מכללאדמה נדירה, דבר המצביע על כך שהוא שייך לקטגוריה "האצילית" שלאדמה נדירהיסודות. במשך למעלה מ-100 שנה מאז גילוי הטרביום בשנת 1843, נדירותו וערכה מנעו את יישומו המעשי במשך זמן רב. רק ב-30 השנים האחרונותטרביוםהראה את כישרונו הייחודי.

גילוי היסטוריה

הכימאי השוודי קרל גוסטב מוסנדר גילה את הטרביום בשנת 1843. הוא גילה את הזיהומים שלו בתחמוצת איטריוםוY2O3. איטריוםנקרא על שם הכפר איטבי בשוודיה. לפני הופעתה של טכנולוגיית חילוף היונים, טרביום לא בודד בצורתו הטהורה.

מוסנדר התחלק לראשונהתחמוצת איטריוםלשלושה חלקים, כולם נקראים על שם עפרות:תחמוצת איטריום, תחמוצת ארביום, ותחמוצת טרביום. תחמוצת טרביוםהיה מורכב במקור מחלק ורוד, בשל היסוד המכונה כיוםארביום. תחמוצת ארביום(כולל מה שאנו מכנים כיום טרביום) היה במקור חלק חסר צבע בתמיסה. התחמוצת הבלתי מסיסה של יסוד זה נחשבת חומה.

עובדים מאוחרים יותר התקשו לראות "זניחים וחסרי צבע" זעיריםתחמוצת ארביום", אבל אי אפשר להתעלם מהחלק הוורוד המסיס. הוויכוח על קיומו שלתחמוצת ארביוםצץ שוב ושוב. בכאוס, השם המקורי התהפך וחילופי השמות נתקעו, כך שהחלק הוורוד הוזכר בסופו של דבר כתמיסה המכילה ארביום (בתמיסה, הוא היה ורוד). כיום מאמינים שעובדים המשתמשים בנתרן דיסולפיד או אשלגן גופרתי כדי להסיר צריום דו-חמצני מ...תחמוצת איטריוםלהסתובב בלי כוונהטרביוםלתוך צריום המכיל משקעים. כיום ידוע כ'טרביום', רק כ-1% מהמקורתחמוצת איטריוםקיים, אך זה מספיק כדי להעביר צבע צהוב בהיר לתחמוצת איטריוםלכן,טרביוםהוא רכיב משני שהכיל אותו בתחילה, והוא נשלט על ידי שכניו הקרובים,גדוליניוםודיספרוזיום.

לאחר מכן, בכל פעם שאחריםאדמה נדירההיסודות הופרדו מתערובת זו, ללא קשר ליחס התחמוצת, השם טרביום נשמר עד שלבסוף, התחמוצת החומה שלטרביוםהתקבל בצורה טהורה. חוקרים במאה ה-19 לא השתמשו בטכנולוגיית פלואורסצנציה אולטרה סגולה כדי לצפות בגושים צהובים או ירוקים בהירים (III), מה שמקל על זיהוי הטרביום בתערובות או תמיסות מוצקות.

תצורת אלקטרונים

פריסה אלקטרונית:

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

הסידור האלקטרוני שלטרביוםהוא [Xe] 6s²⁴f⁶. בדרך כלל, ניתן להסיר רק שלושה אלקטרונים לפני שהמטען הגרעיני הופך גדול מדי מכדי שייונן עוד יותר. עם זאת, במקרה שלטרביום, המלא למחצהטרביוםמאפשר יינון נוסף של האלקטרון הרביעי בנוכחות מחמצן חזק מאוד כמו גז פלואור.

מַתֶכֶת

טרביוםהוא מתכת אדמה נדירה לבנה-כספה בעלת גמישות, קשיחות ורכות הניתנים לחיתוך בסכין. נקודת התכה 1360 ℃, נקודת רתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229-4 ק"ג/מ"ק. בהשוואה ליסודות הלנתניד המוקדמים, הוא יציב יחסית באוויר. היסוד התשיעי מבין יסודות הלנתניד, טרביום, הוא מתכת טעונה מאוד המגיבה עם מים ליצירת גז מימן.

בטבע,טרביוםמעולם לא נמצא כיסוד חופשי, הקיים בכמויות קטנות בחול זרחן, צריום ותוריום ובעפרת סיליקון, בריליום ואיתריום.טרביוםקיים יחד עם יסודות אדמה נדירה אחרים בחול מונזיט, עם תכולת טרביום של בדרך כלל 0.03%. מקורות אחרים כוללים איטריום פוספט וזהב אדמה נדירה, שניהם תערובות של תחמוצות המכילות עד 1% טרביום.

בַּקָשָׁה

היישום שלטרביוםכרוך 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. וטרביוםהוא מרכיב חיוני באבקות פלואורסצנטיות ירוקות באיכות גבוהה רבות.

(3) משמש כחומר אחסון מגנטו אופטי. שכבות דקות של סגסוגת 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

אדמה נדירהטרביוםיכול לשפר את איכות הגידולים ולהגביר את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוזים מסוים. לקומפלקסים של טרביום יש פעילות ביולוגית גבוהה, ולקומפלקסים הטרינריים שלטרביום, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, בעלי השפעות אנטיבקטריאליות וקוטלות חיידקים טובות על סטפילוקוקוס אאורוס, באצילוס סובטיליס ואשריכיה קולי, עם תכונות אנטיבקטריאליות רחבות טווח. המחקר של קומפלקסים אלה 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 טלוויזיות צבעוניות נדירות עוררה את הביקוש ל...איטריוםואירופיום, אז היישום והפיתוח של טרביום קודמו על ידי אבקת פלואורסצנט ירוקה בעלת שלושה צבעים ראשוניים של אדמה נדירה עבור מנורות. בתחילת שנות ה-80, פיליפס המציאה את מנורת הפלואורסצנט החוסכת באנרגיה הקומפקטית הראשונה בעולם וקידום אותה במהירות ברחבי העולם. יוני Tb3+ יכולים לפלוט אור ירוק באורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל אבקות הפלואורסצנט הירוקות של אדמה נדירה משתמשות ב...טרביום, כמפעיל.

אבקת הפלואורסצנט הירוקה המשמשת לשפופרות קרן קתודית (CRT) לטלוויזיות צבעוניות התבססה תמיד בעיקר על אבץ גופרתי זול ויעיל, אך אבקת טרביום תמיד שימשה כאבקה ירוקה להקרנת טלוויזיות צבעוניות, כגון 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 סידן טונגסטט. בשנות ה-70 וה-80 פותחו אבקות פלואורסצנטיות של אדמה נדירה למסכי רגישות, כגוןטרביום, תחמוצת לנתן גופרתי מופעלת, תחמוצת לנתן ברומיד מופעלת בטרביום (למסכים ירוקים), ותחמוצת איטריום גופרתי מופעלת בטרביום. בהשוואה לטונגסטט סידן, אבקה פלואורסצנטית של אדמה נדירה יכולה להפחית את זמן הקרנת הרנטגן עבור מטופלים ב-80%, לשפר את הרזולוציה של סרטי רנטגן, להאריך את תוחלת החיים של שפופרות רנטגן ולהפחית את צריכת האנרגיה. טרביום משמש גם כמפעיל אבקה פלואורסצנטית 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%).

טרביוםמשמש 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 כדי לייצר אור לבן טהור.

החומרים האלקטרולומינסנטיים העשויים מטרביום כוללים בעיקר אבקה פלואורסצנטית ירוקה של אבץ גופרתי עםטרביוםכמפעיל. תחת קרינה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנציה ירוקה חזקה וניתן להשתמש בהם כחומרים אלקטרולומינסנטיים בעלי שכבה דקה. למרות שנעשתה התקדמות משמעותית בחקראדמה נדירהשכבות דקות אלקטרולומינסנטיות מורכבות אורגניות, עדיין קיים פער מסוים מהמעשיות, והמחקר על שכבות דקות והתקנים אלקטרולומינסנטיות מורכבות אורגניות מסוג אדמה נדירה עדיין נמצא בעיצומן.

מאפייני הפלואורסצנציה של טרביום משמשים גם כגשושי פלואורסצנציה. האינטראקציה בין קומפלקס אופלוקסצין טרביום (Tb3+) וחומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) נחקרה באמצעות ספקטרום פלואורסצנציה וספיגה, כגון גלאי הפלואורסצנציה של אופלוקסצין טרביום (Tb3+). התוצאות הראו כי גלאי אופלוקסצין Tb3+ יכול ליצור קשירת חריץ עם מולקולות DNA, וחומצה דאוקסיריבונוקלאית יכולה לשפר משמעותית את הפלואורסצנציה של מערכת אופלוקסצין Tb3+. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע חומצה דאוקסיריבונוקלאית.

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, לגבישים מגנטו-אופטיים רבים בעלי זוויות סיבוב פאראדיי גבוהות 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 היא בעיקר זכוכית 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. שכבות דקות מסגסוגת מתכת מעבר אמורפית של טרביום משמשות לייצור דיסקים אופטיים מגנטו בעלי ביצועים גבוהים. ביניהם, לשכבה הדקה של סגסוגת TbFeCo יש את הביצועים הטובים ביותר. חומרים מגנטו-אופטיים מבוססי טרביום יוצרו בקנה מידה גדול, ודיסקים מגנטו-אופטיים העשויים מהם משמשים כרכיבי אחסון למחשב, עם קיבולת אחסון מוגדלת 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 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 העמקתה המתמשכת של המהפכה הטכנולוגית העולמית, חומרים חדשים ליישומי אדמה נדירה החלו לצוץ במהירות. בשנת 1984, אוניברסיטת איווה סטייט, מעבדת איימס של משרד האנרגיה האמריקאי, ומרכז המחקר לכלי נשק עיליים של חיל הים האמריקאי (שממנו הגיעו אנשי הצוות העיקריים של תאגיד טכנולוגיית אדג' (ET REMA) שהוקם מאוחר יותר) שיתפו פעולה כדי לפתח חומר חכם חדש של אדמה נדירה, כלומר חומר מגנטי-סטריקטי פרומגנטי טרביום דיספרוזיום. לחומר חכם חדש זה מאפיינים מצוינים של המרת אנרגיה חשמלית מהירה לאנרגיה מכנית. מתמרים תת-ימיים ואלקטרו-אקוסטיים העשויים מחומר מגנטי-סטריקטי ענק זה הותאמו בהצלחה בציוד ימי, רמקולים לגילוי בארות נפט, מערכות בקרת רעש ורעידות, ומערכות תקשורת תת-קרקעיות וחקר אוקיינוסים. לכן, ברגע שנולד החומר המגנטוסטריקטי הענק של ברזל טרביום דיספרוזיום, הוא זכה לתשומת לב נרחבת 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 את החומר הזה. עם זאת, עם השיפור המשמעותי של כוחה הלאומי המקיף של סין, הדרישה להשגת אסטרטגיה תחרותית צבאית של המאה ה-21 ושיפור רמות הציוד בהחלט תהיה דחופה מאוד. לכן, השימוש הנרחב בחומרי ענק מגנטוסטריקטיביים של ברזל טרביום דיספרוזיום על ידי משרדי הצבא וההגנה הלאומיים יהיה הכרח היסטורי.

בקיצור, התכונות המצוינות הרבות שלטרביוםהופכים אותו לחבר הכרחי בחומרים פונקציונליים רבים וממלא תפקיד 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 של אדמה נדירה צריכים גם הם להשתמש בעלות נמוכה.ברזל דיספרוזיוםקובלט או גדוליניום טרביום קובלט ככל האפשר; נסו להפחית את תכולת הטרביום באבקה הפלואורסצנטית הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בטרביוםאבל חומרים פונקציונליים רבים לא יכולים להסתדר בלעדיו, לכן עלינו לדבוק בעיקרון של "שימוש בפלדה טובה בלהב" ולנסות לחסוך בשימוש ב...טרביוםכמה שיותר.