יסוד נדיר קסום של אדמה: איטרביום

איטרביוםמספר אטומי 70, משקל אטומי 173.04, שם היסוד נגזר ממיקום גילויו. תכולת האיטביום בקרום היא 0.000266%, והוא קיים בעיקר במרבצי פוספט וזהב שחור נדיר. התכולה במונאזיט היא 0.03%, וישנם 7 איזוטופים טבעיים.

התגלה

מאת: מרינאק

זמן: 1878

מיקום: שוויץ

בשנת 1878, הכימאים השוויצרים ז'אן צ'ארלס וג' מריניאק גילו יסוד חדש של אדמה נדירה בשם ה"ארביום". בשנת 1907, אולבן וויילס ציינו שמריניאק הפריד תערובת של תחמוצת לוטציום ותחמוצת איטריום. לזכר הכפר הקטן ייטרבי ליד שטוקהולם, שם התגלתה עפרת איטריום, נקרא יסוד חדש זה איטרביום בסמל Yb.

תצורת אלקטרונים

תצורת אלקטרונים
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

מַתֶכֶת

איטרביום מתכתי הוא אפור כסוף, גמיש ובעל מרקם רך. בטמפרטורת החדר, איטרביום יכול להתחמצן באיטיות על ידי אוויר ומים.

ישנם שני מבני גביש: α- הסוג הוא מערכת גבישים קובית ממורכזת פנים (טמפרטורת החדר -798 ℃); β- הסוג הוא סריג קובי ממורכז גוף (מעל 798 ℃). נקודת התכה 824 ℃, נקודת רתיחה 1427 ℃, צפיפות יחסית 6.977 (סוג α-), 6.54 (סוג β-).

בלתי מסיס במים קרים, מסיס בחומצות ובאמוניה נוזלית. הוא יציב למדי באוויר. בדומה לסמריום ולאירופיום, איטרביום שייך לאדמה נדירה בעלת ערכיות משתנה, ויכול להיות גם במצב דו-ערכי חיובי בנוסף להיותו בדרך כלל תלת-ערכי.

בשל מאפיין הערכיות המשתנה הזה, הכנת איטרביום מתכתי לא צריכה להתבצע באמצעות אלקטרוליזה, אלא באמצעות זיקוק חיזור לצורך הכנה וטיהור. בדרך כלל, מתכת לנתן משמשת כחומר מחזר לזיקוק חיזור, תוך ניצול ההפרש בין לחץ האדים הגבוה של מתכת איטרביום ללחץ האדים הנמוך של מתכת לנתן. לחלופין,תוליום, איטרביום, ולוטציוםניתן להשתמש בתרכיזים כחומרי גלם, ומתכת לנתןניתן להשתמש בו כחומר מחזר. בתנאי ואקום בטמפרטורה גבוהה של >1100 ℃ ו-<0.133Pa, ניתן להפיק ישירות את המתכת איטרביום על ידי זיקוק מחזר. כמו סמריום ואירופיום, ניתן גם להפריד ולטהר איטרביום באמצעות מחזר רטוב. בדרך כלל, משתמשים בתרכיזי תוליום, איטרביום ולוטציום כחומרי גלם. לאחר ההמסה, איטרביום מחזר למצב דו-ערכי, מה שגורם להבדלים משמעותיים בתכונות, ולאחר מכן מופרד מחלקיקי אדמה נדירים תלת-ערכיים אחרים. ייצור של חומרים בעלי טוהר גבוהתחמוצת איטרביוםמתבצע בדרך כלל באמצעות כרומטוגרפיית מיצוי או שיטת חילוף יונים.

בַּקָשָׁה

משמש לייצור סגסוגות מיוחדות. סגסוגות איטרביום יושמו ברפואת שיניים לניסויים מתכות וכימיים.

בשנים האחרונות, איטרביום צץ והתפתח במהירות בתחומי תקשורת סיבים אופטיים וטכנולוגיית לייזר.

עם הבנייה והפיתוח של "כביש המידע", רשתות מחשבים ומערכות העברת סיבים אופטיים למרחקים ארוכים מציבות דרישות גבוהות יותר ויותר לביצועי חומרי סיבים אופטיים המשמשים בתקשורת אופטית. יוני איטרביום, בשל תכונותיהם הספקטרליות המצוינות, יכולים לשמש כחומרי הגברה של סיבים לתקשורת אופטית, בדיוק כמו ארביום ותוליום. למרות שארביום, יסוד אדמה נדיר, עדיין מהווה את השחקן העיקרי בהכנת מגברי סיבים, סיבי קוורץ מסורתיים מסוממים בארביום בעלי רוחב פס הגבר קטן (30 ננומטר), מה שמקשה על עמידה בדרישות של העברת מידע במהירות גבוהה ובקיבולת גבוהה. ליוני Yb3+ יש חתך ספיגה גדול בהרבה מאשר ליוני Er3+ בסביבות 980 ננומטר. באמצעות אפקט הרגישות של Yb3+ והעברת האנרגיה של ארביום ואיטרביום, ניתן לשפר מאוד את האור ב-1530 ננומטר, ובכך לשפר מאוד את יעילות ההגברה של האור.

בשנים האחרונות, זכוכית פוספט מסוממת בארביום איטרביום זוכה לפופולריות גוברת בקרב חוקרים. לזכוכיות פוספט ופלואורופוספט יש יציבות כימית ותרמית טובה, כמו גם העברה אינפרא אדום רחבה ומאפייני הרחבה לא אחידים גדולים, מה שהופך אותן לחומרים אידיאליים לסיבים אופטיים מסוממים בארביום בפס רחב והגברה גבוהה. מגברי סיבים מסוממים ב-Yb3+ יכולים להשיג הגברת הספק והגברת אות קטנה, מה שהופך אותם מתאימים לתחומים כמו חיישני סיבים אופטיים, תקשורת לייזר בחלל חופשי והגברת פולסים קצרים במיוחד. סין בנתה כיום את מערכת ההולכה האופטית הגדולה בעולם בעלת קיבולת ערוץ יחיד ומהירות גבוהה ביותר, ויש לה את אוטוסטרדת המידע הרחבה ביותר בעולם. מגברי סיבים מסוממים באיטביום וחומרי לייזר אחרים מסוממים באיטביום ממלאים תפקיד מכריע ומשמעותי בהם.

המאפיינים הספקטרליים של איטרביום משמשים גם כחומרי לייזר איכותיים, הן כגבישי לייזר, כמשקפי לייזר ולייזרי סיבים. כחומר לייזר בעל עוצמה גבוהה, גבישי לייזר מסוממים באיטרביום יצרו סדרה עצומה, כולל גארנט אלומיניום איטריום מסומם באיטרביום (Yb: YAG), גארנט גדוליניום גליום מסומם באיטרביום (Yb: GGG), סידן פלואורופוספט מסומם באיטרביום (Yb: FAP), סטרונציום פלואורופוספט מסומם באיטרביום (Yb: S-FAP), איטריום ונדאט מסומם באיטרביום (Yb: YV04), בוראט מסומם באיטרביום וסיליקט. לייזר מוליך למחצה (LD) הוא סוג חדש של מקור משאבה עבור לייזרים במצב מוצק. ל-Yb: YAG מאפיינים רבים המתאימים לשאיבת LD בעלת עוצמה גבוהה והוא הפך לחומר לייזר לשאיבת LD בעלת עוצמה גבוהה. ייתכן שגביש Yb: S-FAP ישמש כחומר לייזר להיתוך גרעיני בלייזר בעתיד, דבר שמשך את תשומת ליבם של אנשים. בגבישי לייזר מתכווננים, קיימים כרום איטרביום, הולמיום איטריום, אלומיניום גליום גארנט (Cr, Yb, Ho: YAGG) עם אורכי גל הנעים בין 2.84 ל-3.05 מיקרון הניתנים להתאמה רציפה בין מטר. על פי נתונים סטטיסטיים, רוב ראשי הנפץ האינפרא אדום המשמשים בטילים ברחבי העולם משתמשים ב-3-5 מיקרון. לכן, פיתוח לייזרי Cr, Yb, Ho: YSGG יכול לספק הפרעות יעילות לאמצעי נגד נגד של נשק מונחה אינפרא אדום בינוני, ויש לו משמעות צבאית חשובה. סין השיגה סדרה של תוצאות חדשניות ברמה בינלאומית מתקדמת בתחום גבישי לייזר מסוממים באיטרביום (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP וכו'), ופתרה טכנולוגיות מפתח כגון צמיחת גבישים ופלט לייזר מהיר, דופק, רציף ומתכוונן. תוצאות המחקר יושמו בהגנה לאומית, בתעשייה ובהנדסה מדעית, ומוצרי גביש מסוממים באיטביום יוצאו למדינות ואזורים רבים כמו ארצות הברית ויפן.

קטגוריה מרכזית נוספת של חומרי לייזר איטרביום היא זכוכית לייזר. פותחו מגוון זכוכיתי לייזר בעלי חתך רוחב פליטה גבוה, כולל גרמניום טלוריט, סיליקון ניובט, בוראט ופוספט. בשל קלות יציקת הזכוכית, ניתן לייצר אותה בגדלים גדולים ויש לה מאפיינים כמו העברת אור גבוהה ואחידות גבוהה, מה שמאפשר לייצר לייזרים בעלי עוצמה גבוהה. זכוכית הלייזר המוכרת מסוג אדמה נדירה הייתה בעבר בעיקר זכוכית ניאודימיום, בעלת היסטוריית פיתוח של למעלה מ-40 שנה וטכנולוגיית ייצור ויישום בוגרת. היא תמיד הייתה החומר המועדף עבור התקני לייזר בעלי עוצמה גבוהה והיא שימשה במכשירים ניסיוניים של היתוך גרעיני ובנשק לייזר. התקני הלייזר בעלי העוצמה הגבוהה שנבנו בסין, המורכבים מזכוכית ניאודימיום לייזר כמדיום הלייזר העיקרי, הגיעו לרמה המתקדמת בעולם. אך זכוכית ניאודימיום לייזר עומדת כעת בפני אתגר רב מצד זכוכית איטרביום לייזר.

בשנים האחרונות, מספר רב של מחקרים הראו כי תכונות רבות של זכוכית איטרביום בלייזר עולות על אלו של זכוכית ניאודימיום. בשל העובדה שלומינסנציה מסוממת באיטרביום יש רק שתי רמות אנרגיה, יעילות אגירת האנרגיה גבוהה. באותו רווח, לזכוכית איטרביום יעילות אגירת אנרגיה גבוהה פי 16 מזכוכית ניאודימיום, ואורך חיים פלואורסצנטי פי 3 מזה של זכוכית ניאודימיום. יש לה גם יתרונות כגון ריכוז סימום גבוה, רוחב פס ספיגה, וניתן לשאוב אותה ישירות על ידי מוליכים למחצה, מה שהופך אותה למתאימה מאוד ללייזרים בעלי הספק גבוה. עם זאת, היישום המעשי של זכוכית לייזר איטרביום מסתמך לעתים קרובות על סיוע של ניאודימיום, כגון שימוש ב-Nd3+ כרגישות כדי לגרום לזכוכית לייזר איטרביום לפעול בטמפרטורת החדר ולפליטת לייזר μ מושגת באורך גל m. לכן, איטרביום וניאודימיום הם גם מתחרים וגם שותפים לשיתופי פעולה בתחום זכוכית הלייזר.

על ידי התאמת הרכב הזכוכית, ניתן לשפר תכונות זוהרות רבות של זכוכית לייזר איטרביום. עם פיתוח לייזרים בעלי עוצמה גבוהה ככיוון העיקרי, לייזרים העשויים מזכוכית לייזר איטרביום נמצאים בשימוש נרחב יותר ויותר בתעשייה המודרנית, בחקלאות, ברפואה, במחקר מדעי וביישומים צבאיים.

שימוש צבאי: שימוש באנרגיה הנוצרת על ידי היתוך גרעיני כאנרגיה תמיד היה מטרה צפויה, והשגת היתוך גרעיני מבוקר תהיה אמצעי חשוב עבור האנושות לפתרון בעיות אנרגיה. זכוכית לייזר מסוממת באיטביום הופכת לחומר המועדף להשגת שדרוגי היתוך באינרציה (ICF) במאה ה-21 בשל ביצועי הלייזר המצוינים שלה.

כלי נשק לייזר משתמשים באנרגיה העצומה של קרן לייזר כדי לפגוע ולהשמיד מטרות, לייצר טמפרטורות של מיליארדי מעלות צלזיוס ותוקפים ישירות במהירות האור. ניתן לכנותם נדנה (Nadana) והם בעלי קטלניות רבה, מתאימים במיוחד למערכות נשק הגנה אווירית מודרניות בלוחמה. הביצועים המצוינים של זכוכית לייזר מסוממת באיטביום הפכו אותה לחומר בסיסי חשוב לייצור כלי נשק לייזר בעלי עוצמה וביצועים גבוהים.

לייזר סיבים הוא טכנולוגיה חדשה המתפתחת במהירות וגם שייכת לתחום יישומי לייזר זכוכית. לייזר סיבים הוא לייזר המשתמש בסיבים כמדיום לייזר, שהוא תוצר של שילוב של טכנולוגיית סיבים ולייזר. זוהי טכנולוגיית לייזר חדשה שפותחה על בסיס טכנולוגיית מגבר סיבים מסוממים בארביום (EDFA). לייזר סיבים מורכב מדיודת לייזר מוליך למחצה כמקור משאבה, מוליך גל סיב אופטי ומדיום הגברה, ורכיבים אופטיים כגון סיבים סורגים ומצמדים. הוא אינו דורש כוונון מכני של הנתיב האופטי, והמנגנון קומפקטי וקל לשילוב. בהשוואה ללייזרים מסורתיים של מצב מוצק ולייזרים מוליכים למחצה, יש לו יתרונות טכנולוגיים וביצועיים כגון איכות קרן גבוהה, יציבות טובה, עמידות חזקה להפרעות סביבתיות, ללא כוונון, ללא תחזוקה ומבנה קומפקטי. בשל העובדה שהיונים המסוממים הם בעיקר Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, שכולם משתמשים בסיבים נדירים כמדיום הגברה, לייזר הסיבים שפותח על ידי החברה יכול להיקרא גם לייזר סיבים נדירים.

יישום לייזר: לייזר סיבים מסוממים באיטביום בעל עוצמה גבוהה הפך לתחום חם בטכנולוגיית לייזר במצב מוצק ברמה בינלאומית בשנים האחרונות. יש לו יתרונות של איכות קרן טובה, מבנה קומפקטי ויעילות המרה גבוהה, ויש לו אפשרויות יישום רחבות בעיבוד תעשייתי ובתחומים אחרים. סיבים מסוממים באיטביום מתאימים לשאיבת לייזר מוליך למחצה, עם יעילות צימוד גבוהה והספק יציאת לייזר גבוה, והם כיוון הפיתוח העיקרי של סיבים מסוממים באיטביום. טכנולוגיית סיבים מסוממים באיטביום בסין עם ציפוי כפול אינה עומדת עוד בקנה אחד עם הרמה המתקדמת של מדינות זרות. סיבים מסוממים באיטביום, סיבים מסוממים באיטביום עם ציפוי כפול וסיבים מסוממים יחד באיטביום שפותחו בסין הגיעו לרמה המתקדמת של מוצרים זרים דומים מבחינת ביצועים ואמינות, יש להם יתרונות עלות, ויש להם טכנולוגיות ליבה רשומות פטנט עבור מוצרים ושיטות מרובים.

חברת לייזר IPG הגרמנית בעלת שם עולמי הודיעה לאחרונה כי מערכת לייזר הסיבים המסוממת באיטביום החדשה שלה, בעלת מאפייני קרן מצוינים, חיי משאבה של למעלה מ-50,000 שעות, אורך גל פליטה מרכזי של 1070-1080 ננומטר והספק יציאה של עד 20 קילוואט. היא יושמה בריתוך עדין, חיתוך וקידוח סלעים.

חומרי לייזר הם הליבה והבסיס לפיתוח טכנולוגיית הלייזר. תמיד היה פתגם בתעשיית הלייזר ש"דור אחד של חומרים, דור אחד של מכשירים". כדי לפתח התקני לייזר מתקדמים ומעשיים, יש צורך תחילה להחזיק בחומרי לייזר בעלי ביצועים גבוהים ולשלב טכנולוגיות רלוונטיות אחרות. גבישי לייזר מסוממים באיטביום וזכוכית לייזר, ככוח החדש של חומרי לייזר מוצקים, מקדמים את הפיתוח החדשני של תקשורת סיבים אופטיים וטכנולוגיית לייזר, במיוחד בטכנולוגיות לייזר מתקדמות כגון לייזרי היתוך גרעיני בעלי עוצמה גבוהה, לייזרי אריחי פעימה בעלי אנרגיה גבוהה ולייזרי נשק בעלי אנרגיה גבוהה.

בנוסף, איטרביום משמש גם כמפעיל אבקה פלואורסצנטית, קרמיקה רדיואקטיבית, תוספים לרכיבי זיכרון מחשב אלקטרוני (בועות מגנטיות) ותוספים לזכוכית אופטית. יש לציין כי איטריום ואיטריום שניהם יסודות אדמה נדירים. למרות שישנם הבדלים משמעותיים בשמות האנגליים ובסמלי היסודות, לאלפבית הפונטי הסיני יש את אותן הברות. בתרגומים סיניים מסוימים, איטריום מכונה לעיתים בטעות איטריום. במקרה זה, עלינו לעקוב אחר הטקסט המקורי ולשלב סמלי יסודות כדי לאשר.