Блог

May 03, 2023

Как редкоземельные элементы делают возможными современные технологии

В августе в Китае завершилось строительство линии поездов на магнитной подвеске, использующей магниты.

В августе Китай завершил строительство линии поездов на магнитной подвеске, в которой используются магниты, изготовленные из редкоземельных сплавов, для подъема вагонов без потребления электроэнергии.

Фото Синьхуа/Алами

Никк Огаса

16 января 2023 г., 8:00

В космической опере Фрэнка Герберта «Дюна» драгоценное природное вещество, называемое пряным меланжем, дает людям возможность перемещаться по огромным просторам космоса для построения межгалактической цивилизации.

В реальной жизни здесь, на Земле, группа природных металлов, известных как редкоземельные элементы, сделала возможным наше собственное технологическое общество. Спрос на эти важнейшие компоненты практически всей современной электроники стремительно растет.

Редкоземельные элементы удовлетворяют тысячи различных потребностей: например, церий используется в качестве катализатора при переработке нефти, а гадолиний захватывает нейтроны в ядерных реакторах. Но самые выдающиеся возможности этих элементов заключаются в их люминесценции и магнетизме.

Мы используем редкоземельные элементы для окраски экранов наших смартфонов, флуоресценции для сигнализации подлинности банкнот евро и передачи сигналов по оптоволоконным кабелям по морскому дну. Они также необходимы для создания одних из самых сильных и надежных магнитов в мире. Они генерируют звуковые волны в ваших наушниках, передают цифровую информацию в космос и меняют траектории ракет с тепловым наведением. Редкоземельные элементы также способствуют развитию «зеленых» технологий, таких как энергия ветра и электромобили, и могут даже привести к созданию новых компонентов для квантовых компьютеров.

«Список можно продолжать и продолжать», — говорит Стивен Бойд, химик-синтетик и независимый консультант. «Они повсюду».

Редкоземельные элементы — это лантаноиды — лютеций и все 14 элементов между лантаном и иттербием в одном ряду периодической таблицы — плюс скандий и иттрий, которые, как правило, встречаются в тех же рудных месторождениях и имеют сходные химические свойства с лантанидами. Эти металлы от серого до серебристого цвета часто пластичны и имеют высокие температуры плавления и кипения.

Их тайная сила заключена в их электронах. Все атомы имеют ядро, окруженное электронами, которые обитают в зонах, называемых орбиталями. Электроны на наиболее удаленных от ядра орбиталях являются валентными электронами, которые участвуют в химических реакциях и образуют связи с другими атомами.

Большинство лантаноидов обладают еще одним важным набором электронов, называемым «f-электронами», которые обитают в зоне Златовласки, расположенной рядом с валентными электронами, но немного ближе к ядру. «Именно эти f-электроны отвечают как за магнитные, так и за люминесцентные свойства редкоземельных элементов», — говорит Ана де Бетанкур-Диас, химик-неорганик из Университета Невады, Рино.

Редкоземельные элементы представляют собой группу из 17 элементов (выделены синим цветом в таблице Менделеева). Подмножество редкоземельных элементов, известное как лантаноиды (лютеций, Lu, плюс ряд, начинающийся с лантана, La), каждый содержит подоболочку, в которой обычно находятся f-электроны, которые наделяют элементы магнитными и люминесцентными свойствами.

Вдоль некоторых побережий ночное море иногда светится голубовато-зеленым светом, когда биолюминесцентный планктон толкается в волнах. Редкоземельные металлы также излучают свет при стимуляции. Хитрость заключается в том, чтобы пощекотать их f-электроны, говорит де Бетанкур-Диас.

Используя источник энергии, такой как лазер или лампа, ученые и инженеры могут перевести один из f-электронов редкоземельных элементов в возбужденное состояние, а затем позволить ему вернуться в летаргическое или основное состояние. «Когда лантаноиды возвращаются в основное состояние, — говорит она, — они излучают свет».

По словам де Бетанкур-Диас, каждый редкоземельный элемент при возбуждении надежно излучает свет точной длины волны. Эта надежная точность позволяет инженерам тщательно настраивать электромагнитное излучение во многих электронных устройствах. Тербий, например, излучает свет с длиной волны около 545 нанометров, что делает его пригодным для создания зеленых люминофоров в экранах телевизоров, компьютеров и смартфонов. Европий, имеющий две распространенные формы, используется для создания красного и синего люминофора. В совокупности эти люминофоры способны окрашивать экраны в большинство оттенков радуги.