חדשות - חומרי אדמה נדירים ננומטריים, כוח חדש במהפכה התעשייתית

חומרי אדמה נדירים ננומטריים, כוח חדש במהפכה התעשייתית

ננוטכנולוגיה היא תחום רב-תחומי חדש שהתפתח בהדרגה בסוף שנות ה-80 ותחילת שנות ה-90. מכיוון שיש לה פוטנציאל גדול ליצור תהליכי ייצור חדשים, חומרים חדשים ומוצרים חדשים, היא תניע מהפכה תעשייתית חדשה במאה החדשה. רמת הפיתוח הנוכחית של ננו-מדעים וננוטכנולוגיה דומה לזו של טכנולוגיית המחשבים והמידע בשנות ה-50. רוב המדענים המחויבים לתחום זה צופים כי לפיתוח הננוטכנולוגיה תהיה השפעה רחבה ומרחיקת לכת על היבטים רבים של הטכנולוגיה. מדענים מאמינים שיש לה תכונות מוזרות וביצועים ייחודיים. השפעות הכליאה העיקריות המובילות לתכונות המוזרות של חומרי ננו-ארץ נדירה הן אפקט משטח סגולי, אפקט גודל קטן, אפקט ממשק, אפקט שקיפות, אפקט מנהרה ואפקט קוונטי מקרוסקופי. השפעות אלו הופכות את התכונות הפיזיקליות של מערכות ננו שונות מאלה של חומרים קונבנציונליים באור, חשמל, חום ומגנטיות, ומציגות תכונות חדשות רבות. בעתיד, ישנם שלושה כיוונים עיקריים עבור מדענים לחקור ולפתח ננוטכנולוגיה: הכנה ויישום של ננו-חומרים עם ביצועים מצוינים; תכנון והכנה של מגוון מכשירי ננו וציוד; גילוי וניתוח תכונות של ננו-אזורים. נכון לעכשיו, לננו-ארץ נדירה יש בעיקר את כיווני היישום הבאים, ויש לפתח את יישומה עוד יותר בעתיד.

תחמוצת לנתן ננומטרית (La2O3)

תחמוצת לנתן ננומטרית מיושמת על חומרים פיזואלקטריים, חומרים אלקטרותרמיים, חומרים תרמואלקטריים, חומרי מגנטו-התנגדות, חומרים זוהרים (אבקה כחולה), חומרי אחסון מימן, זכוכית אופטית, חומרי לייזר, חומרי סגסוגת שונים, זרזים להכנת מוצרים כימיים אורגניים וזרזים לנטרול פליטות רכב, וסרטים חקלאיים להמרת אור מיושמים גם על תחמוצת לנתן ננומטרית.

תחמוצת צריום ננומטרית (CeO2)

השימושים העיקריים של ננו-צריום תחמוצת הם כדלקמן: 1. כתוסף זכוכית, ננו-צריום תחמוצת יכולה לספוג קרניים אולטרה סגולות וקריני אינפרא אדום, והיא מיושמת על זכוכית רכב. היא יכולה לא רק למנוע קרניים אולטרה סגולות, אלא גם להפחית את הטמפרטורה בתוך המכונית, ובכך לחסוך בחשמל עבור מיזוג אוויר. 2. יישום ננו-צריום תחמוצת בזרז לטיהור פליטות רכב יכול למנוע ביעילות פליטה של כמות גדולה של גזי פליטה של רכב לאוויר. 3. ניתן להשתמש בננו-צריום תחמוצת בפיגמנט לצביעת פלסטיק, וגם בתעשיות ציפוי, דיו ונייר. 4. יישום ננו-צריום תחמוצת בחומרי ליטוש הוכר באופן נרחב כדרישה מדויקת לליטוש פרוסות סיליקון ומצעים של גביש יחיד ספיר. 5. בנוסף, ניתן ליישם ננו-צריום תחמוצת גם על חומרי אחסון מימן, חומרים תרמואלקטריים, אלקטרודות טונגסטן של ננו-צריום תחמוצת, קבלים קרמיים, קרמיקה פיזואלקטרית, חומרי שוחקים של סיליקון קרביד של ננו-צריום תחמוצת, חומרי גלם של תאי דלק, זרזים לבנזין, חומרים מגנטיים קבועים מסוימים, פלדות סגסוגת שונות ומתכות לא ברזליות וכו'.

תחמוצת פרסאודימיום ננומטרית (Pr6O11)

השימושים העיקריים של תחמוצת פרסאודימיום ננומטרי הם כדלקמן: 1. היא נמצאת בשימוש נרחב בבניית קרמיקה וקרמיקה לשימוש יומיומי. ניתן לערבב אותה עם זיגוג קרמי ליצירת זיגוג צבעוני, וניתן להשתמש בה גם כפיגמנט תחת זיגוג בלבד. הפיגמנט המוכן הוא צהוב בהיר עם גוון טהור ואלגנטי. 2. הוא משמש לייצור מגנטים קבועים ונמצא בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים ומנועים שונים. 3. הוא משמש לפיצוח קטליטי נפט. ניתן לשפר את הפעילות, הסלקטיביות והיציבות של הקטליזה. 4. תחמוצת ננו-פרסאודימיום יכולה לשמש גם לליטוש שוחק. בנוסף, היישום של תחמוצת פרסאודימיום ננומטרי בתחום הסיבים האופטיים הולך וגובר. תחמוצת ניאודימיום ננומטרי (Nd2O3) תחמוצת ניאודימיום ננומטרי הפכה לנקודה חמה בשוק במשך שנים רבות בשל מעמדה הייחודי בתחום מתכות נדירות. ננו-נאודימיום תחמוצת משמשת גם לחומרים לא ברזליים. הוספת 1.5%~2.5% ננו-נאודימיום תחמוצת לסגסוגת מגנזיום או אלומיניום יכולה לשפר את ביצועי הטמפרטורה הגבוהה, את האטימות לאוויר ואת עמידותה בפני קורוזיה של הסגסוגת, והיא נמצאת בשימוש נרחב כחומר תעופה וחלל. בנוסף, ננו-איטריום אלומיניום גארנט מסומם בננו-נאודימיום תחמוצת מייצרת קרן לייזר קצרת גל, הנמצאת בשימוש נרחב לריתוך וחיתוך חומרים דקים בעובי של פחות מ-10 מ"מ בתעשייה. בצד הרפואי, לייזר ננו-YAG מסומם בננו-Nd_2O_3 משמש להסרת פצעים כירורגיים או חיטוי פצעים במקום סכינים כירורגיות. ננו-נאודימיום תחמוצת משמשת גם לצביעת חומרים מזכוכית וקרמיקה, מוצרי גומי ותוספים.

ננו-חלקיקי תחמוצת סמריום (Sm2O3)

השימושים העיקריים של תחמוצת סמריום בגודל ננו הם: תחמוצת סמריום בגודל ננו הוא צהוב בהיר, המיושם בקבלים קרמיים וזרזים. בנוסף, תחמוצת סמריום בגודל ננו בעלת תכונות גרעיניות, וניתן להשתמש בה כחומר מבני, חומר מיגון וחומר בקרה של כורי אנרגיה אטומיים, כך שניתן להשתמש באנרגיה העצומה הנוצרת על ידי ביקוע גרעיני בבטחה. חלקיקי ננו של תחמוצת אירופיום (Eu2O3) משמשים בעיקר בזרחן. Eu3+ משמש כמפעיל של זרחן אדום, ו-Eu2+ משמש כזרחן כחול. Y0O3:Eu3+ הוא הזרחן הטוב ביותר מבחינת יעילות האור, יציבות הציפוי, עלות ההתאוששות וכו', והוא נמצא בשימוש נרחב בשל שיפור יעילות האור והניגודיות. לאחרונה, תחמוצת אירופיום ננו משמשת גם כזרחן פליטה מגורה עבור מערכת אבחון רפואית חדשה של קרני רנטגן. תחמוצת ננו-אירופיום יכולה לשמש גם לייצור עדשות צבעוניות ומסננים אופטיים, עבור התקני אחסון בועות מגנטיות, ויכולה גם להראות את כישרונותיה בחומרי בקרה, חומרי מיגון וחומרים מבניים של כורים אטומיים. הזרחן האדום, המכיל חלקיקים דקים של גדוליניום אירופיום (Y2O3:Eu3+), הוכן באמצעות ננו-איטריום תחמוצת (Y2O3) וננו-אירופיום תחמוצת (Eu2O3) כחומרי גלם. בעת שימוש בו להכנת זרחן תלת-צבעוני מסוג אדמה נדירה, נמצא כי: (א) ניתן לערבב אותו היטב ואחיד עם אבקה ירוקה ואבקה כחולה; (ב) ביצועי ציפוי טובים; (ג) מכיוון שגודל החלקיקים של האבקה האדומה קטן, שטח הפנים הסגולי גדל ומספר החלקיקים הזוהרים גדל, ניתן להפחית את כמות האבקה האדומה בזרחן תלת-צבעוני מסוג אדמה נדירה, וכתוצאה מכך להוזיל את העלות.

ננו-חלקיקי תחמוצת גדוליניום (Gd2O3)

שימושיו העיקריים הם כדלקמן: 1. הקומפלקס הפרמגנטי המסיס במים שלו יכול לשפר את אות ההדמיה NMR של גוף האדם בטיפול רפואי. 2. תחמוצת גופרית בסיסית יכולה לשמש כרשת מטריצה של שפופרת אוסצילוסקופ ומסך רנטגן עם בהירות מיוחדת. 3. תחמוצת ננו-גדוליניום בננו-גדוליניום גליום גארנט היא מצע יחיד אידיאלי לזיכרון בועות מגנטי. 4. כאשר אין מגבלת מחזור קאמוט, ניתן להשתמש בה כמדיום קירור מגנטי מוצק. 5. היא משמשת כמעכבת לשליטה ברמת תגובת השרשרת של תחנות כוח גרעיניות כדי להבטיח את בטיחות התגובות הגרעיניות. בנוסף, השימוש בתחמוצת ננו-גדוליניום ובתחמוצת ננו-לנתנום מועיל לשינוי אזור הוויטריפיקציה ולשיפור היציבות התרמית של זכוכית. תחמוצת ננו-גדוליניום יכולה לשמש גם לייצור קבלים ומסכי הגברת קרני רנטגן. כיום, העולם עושה מאמצים רבים לפתח את היישום של תחמוצת ננו-גדוליניום וסגסוגותיה בקירור מגנטי, ועשה התקדמות פורצת דרך.

ננו-חלקיקי תחמוצת טרביום (Tb4O7)

תחומי היישום העיקריים הם כדלקמן: 1. זרחנים משמשים כמפעילים של אבקה ירוקה בזרחנים תלת-צבעוניים, כגון מטריצת פוספט המופעלת על ידי ננו-תחמוצת טרביום, מטריצת סיליקט המופעלת על ידי ננו-תחמוצת טרביום ומטריצת מגנזיום אלומינט המופעלת על ידי ננו-תחמוצת טרביום, שכולן פולטות אור ירוק במצב מעורר. 2. חומרי אחסון מגנטו-אופטיים, בשנים האחרונות נחקרו ופותחו חומרים מגנטו-אופטיים של ננו-תחמוצת טרביום. הדיסק המגנטו-אופטי העשוי מסרט אמורפי Tb-Fe משמש כאלמנט אחסון למחשב, וניתן להגדיל את קיבולת האחסון פי 10~15. 3. זכוכית מגנטו-אופטית, זכוכית אקטיבית אופטית של פאראדיי המכילה ננומטר של תחמוצת טרביום, היא חומר מפתח לייצור מסובבים, מבודדים, טבעתיים ונמצאת בשימוש נרחב בטכנולוגיית לייזר. תחמוצת טרביום ננומטרית, תחמוצת דיספרוזיום, משמשת בעיקר בסונאר, ונמצאת בשימוש נרחב בתחומים רבים, כגון מערכת הזרקת דלק, בקרת שסתומי נוזל, מיקרו-מיקום, מפעיל מכני, מנגנונים ווסת כנף של טלסקופ חלל מטוסים. השימושים העיקריים של ננו-דיספרוזיום תחמוצת Dy2O3 הם: 1. ננו-דיספרוזיום תחמוצת משמשת כמפעיל של זרחן, וננו-דיספרוזיום תחמוצת תלת-ערכית היא יון הפעלה מבטיח של חומרים זוהרים תלת-צבעוניים עם מרכז זוהר יחיד. היא מורכבת בעיקר משני פסי פליטה, אחד הוא פליטת אור צהוב, השני הוא פליטת אור כחול, וחומרים זוהרים מסוממים בננו-דיספרוזיום תחמוצת יכולים לשמש כזרחנים תלת-צבעוניים.2. תחמוצת דיספרוזיום ננומטרי היא חומר גלם מתכתי הכרחי להכנת סגסוגת טרפנול עם סגסוגת מגנטוסטריקציבית גדולה של ננו-תחמוצת טרביום וננו-תחמוצת דיספרוזיום, שיכולה לממש פעילויות מדויקות של תנועה מכנית. 3. מתכת תחמוצת דיספרוזיום ננומטרי יכולה לשמש כחומר אחסון מגנטו-אופטי עם מהירות הקלטה ורגישות קריאה גבוהות. 4. משמש להכנת מנורת תחמוצת דיספרוזיום ננומטרי. חומר העבודה המשמש במנורת תחמוצת דיספרוזיום ננומטרי הוא תחמוצת דיספרוזיום ננומטרי, בעלת יתרונות של בהירות גבוהה, צבע טוב, טמפרטורת צבע גבוהה, גודל קטן וקשת יציבה, והיא שימשה כמקור תאורה לסרטים ולהדפסה. 5. תחמוצת דיספרוזיום ננומטרי משמשת למדידת ספקטרום אנרגיית נויטרונים או כבולם נויטרונים בתעשיית האנרגיה האטומית בגלל שטח חתך לכידת נויטרונים גדול שלה.

Ho _ 2O _ 3 ננומטר

השימושים העיקריים של ננו-הולמיום תחמוצת הם כדלקמן: 1. כתוסף למנורת הלוגן מתכת, מנורת הלוגן מתכת היא סוג של מנורת פריקת גז, שפותחה על בסיס מנורת כספית בלחץ גבוה, והמאפיין שלה הוא שהנורה מלאה בהלידים שונים של אדמה נדירה. כיום, משתמשים בעיקר ביודידים של אדמה נדירה, הפולטים קווים ספקטרליים שונים בעת פריקת גז. חומר העבודה המשמש במנורת ננו-הולמיום תחמוצת הוא ננו-הולמיום תחמוצת יודיד, שיכול להשיג ריכוז אטומי מתכת גבוה יותר באזור הקשת, ובכך לשפר מאוד את יעילות הקרינה. 2. ניתן להשתמש בתחמוצת הולמיום ננומטרית כתוסף לגרנט ברזל איטריום או אלומיניום איטריום; 3. ניתן להשתמש בתחמוצת ננו-הולמיום כגרנט אלומיניום איטריום (Ho:YAG), שיכול לפלוט לייזר של 2 מיקרון, וקצב הספיגה של רקמה אנושית ללייזר של 2 מיקרון גבוה. הוא גבוה כמעט בשלושה סדרי גודל מ-Hd:YAG0. לכן, בעת שימוש בלייזר Ho:YAG לניתוחים רפואיים, ניתן לא רק לשפר את יעילות הפעולה והדיוק, אלא גם להקטין את אזור הנזק התרמי. הקרן החופשית הנוצרת על ידי גביש ננו-הולמיום אוקסיד יכולה להסיר שומן מבלי לייצר חום מוגזם, ובכך להפחית את הנזק התרמי הנגרם על ידי רקמות בריאות. דווח כי טיפול בגלאוקומה באמצעות לייזר ננו-הולמיום אוקסיד בארצות הברית יכול להפחית את כאב הניתוח. 4. בסגסוגת מגנטוסטריקציבית טרפנול-D, ניתן להוסיף כמות קטנה של ננו-הולמיום אוקסיד כדי להפחית את השדה החיצוני הנדרש למגנטיזציה רוויה של הסגסוגת. 5. בנוסף, ניתן להשתמש בסיבים אופטיים מסוממים בננו-הולמיום אוקסיד לייצור התקני תקשורת אופטיים כגון לייזרי סיבים אופטיים, מגברי סיבים אופטיים, חיישני סיבים אופטיים וכו'. הם ימלאו תפקיד חשוב יותר בתקשורת סיבים אופטיים מהירה של ימינו.

תחמוצת איטריום ננומטרית (Y2O3)

השימושים העיקריים של ננו-איטריום תחמוצת הם כדלקמן: 1. תוספים לפלדה וסגסוגות לא ברזליות. סגסוגת FeCr מכילה בדרך כלל 0.5%~4% ננו-איטריום תחמוצת, שיכולה לשפר את עמידות החמצון והגמישות של פלדות אל-חלד אלו. לאחר הוספת כמות מתאימה של אדמה נדירה מעורבת עשירה בתחמוצת איטריום ננומטרית לסגסוגת MB26, התכונות המקיפות של הסגסוגת שופרו באופן ניכר אתמול. היא יכולה להחליף כמה סגסוגות אלומיניום בינוניות וחזקות עבור רכיבים תחת לחץ של מטוסים; הוספת כמות קטנה של ננו-איטריום תחמוצת אדמה נדירה לסגסוגת Al-Zr יכולה לשפר את המוליכות של הסגסוגת; הסגסוגת אומצה על ידי רוב מפעלי התיל בסין. ננו-איטריום תחמוצת נוספה לסגסוגת נחושת כדי לשפר את המוליכות והחוזק המכני. 2. חומר קרמי סיליקון ניטריד המכיל 6% ננו-איטריום תחמוצת ו-2% אלומיניום. ניתן להשתמש בו לפיתוח חלקי מנוע. 3. קידוח, חיתוך, ריתוך ועיבודים מכניים אחרים מתבצעים על רכיבים בקנה מידה גדול באמצעות קרן לייזר אלומיניום ננו-ניאודימיום גארנט בהספק של 400 וואט. 4. מסך מיקרוסקופ האלקטרונים המורכב מקריסטל יחיד גארנט Y-Al בעל בהירות פלואורסצנציה גבוהה, ספיגה נמוכה של אור מפוזר, עמידות טובה בטמפרטורה גבוהה ועמידות טובה בפני שחיקה מכנית. 5. סגסוגת מבנה תחמוצת איטריום ננו גבוהה המכילה 90% תחמוצת גדוליניום ננו ניתנת ליישום בתעופה ובאירועים אחרים הדורשים צפיפות נמוכה ונקודת התכה גבוהה. 6. חומרים מוליכי פרוטון בטמפרטורה גבוהה המכילים 90% תחמוצת איטריום ננו הם בעלי חשיבות רבה לייצור תאי דלק, תאים אלקטרוליטיים וחיישני גז הדורשים מסיסות מימן גבוהה. בנוסף, תחמוצת ננו-איטריום משמשת גם כחומר עמיד לריסוס בטמפרטורה גבוהה, מדלל דלק של כורים אטומיים, תוסף לחומר מגנט קבוע ומגטר בתעשיית האלקטרוניקה.

בנוסף לאמור לעיל, ניתן להשתמש בתחמוצות ננו-ארץ נדירות גם בחומרי לבוש לבריאות האדם ולהגנת הסביבה. מיחידות המחקר הנוכחיות, לכולם כיוונים מסוימים: הגנה מפני קרינה אולטרה סגולה; זיהום אוויר וקרינה אולטרה סגולה נוטים למחלות עור וסרטן עור; מניעת זיהום מקשה על מזהמים להידבק לבגדים; כמו כן נחקרת גישה למניעת חימום. מכיוון שעור קשה וקל להתיישן, הוא נוטה ביותר לעובש בימים גשומים. ניתן לרכך את העור על ידי הלבנה עם תחמוצת צריום ננו-ארץ נדירה, שאינה קלה להתיישן ולעובש, והוא נוח ללבישה. בשנים האחרונות, חומרי ציפוי ננו הם גם מוקד מחקר של ננו-חומרים, והמחקר העיקרי מתמקד בציפויים פונקציונליים. Y2O3 עם 80 ננומטר בארצות הברית יכול לשמש כציפוי מגן אינפרא אדום. יעילות החזרת החום גבוהה מאוד. CeO2 בעל מקדם שבירה גבוה ויציבות גבוהה. כאשר מוסיפים לציפוי תחמוצת איטריום ננו-ארץ נדירה, תחמוצת לנתנום ננו ואבקת תחמוצת צריום ננו, הקיר החיצוני יכול לעמוד בפני הזדקנות, מכיוון שציפוי הקיר החיצוני קל להתיישן ולנושר מכיוון שהצבע נחשף לאור שמש ולקרניים אולטרה סגולות במשך זמן רב, והוא יכול לעמוד בפני קרניים אולטרה סגולות לאחר הוספת תחמוצת צריום ותחמוצת איטריום. יתר על כן, גודל החלקיקים שלו קטן מאוד, ותחמוצת צריום ננו משמשת כבולמת אולטרה סגולה, אשר צפויה לשמש למניעת הזדקנות של מוצרי פלסטיק עקב קרינה אולטרה סגולה, טנקים, מכוניות, ספינות, מיכלי אחסון נפט וכו', מה שיכול להגן בצורה הטובה ביותר על שלטי חוצות גדולים חיצוניים ולמנוע עובש, לחות וזיהום בציפויי קירות פנימיים. בשל גודל החלקיקים הקטן שלו, אבק לא נדבק בקלות לקיר. וניתן לשפשף אותו במים. ישנם עדיין שימושים רבים של תחמוצות אדמה נדירות ננו שיש לחקור ולפתח עוד, ואנו מקווים בכנות שיהיה לה עתיד מזהיר יותר.