Terbiumkuuluu raskaiden luokkaanharvinaiset maametallit, jonka pitoisuus maankuoressa on alhainen, vain 1,1 ppm. Terbiumoksidin osuus harvinaisten maametallien kokonaismäärästä on alle 0,01 %. Jopa runsaasti yttriumionia sisältävässä raskaassa harvinaisten maametallien malmissa, jossa on korkein terbiumpitoisuus, terbiumin osuus on vain 1,1–1,2 % harvinaisten maametallien kokonaismäärästä, mikä osoittaa sen kuuluvan "jalo"-luokkaan harvinaisten maametallien joukossa. Yli 100 vuoden ajan terbiumin löytämisestä vuonna 1843 sen niukkuus ja arvo ovat estäneet sen käytännön soveltamisen pitkään. Vasta viimeisten 30 vuoden aikana terbium on osoittanut ainutlaatuisen kykynsä.
Historian löytäminen
Ruotsalainen kemisti Carl Gustaf Mosander löysi terbiumin vuonna 1843. Hän löysi sen epäpuhtauksiaYttrium(III)oksidijaY2O3Yttrium on nimetty Ruotsin Ytterbyn kylän mukaan. Ennen ioninvaihtotekniikan keksimistä terbiumia ei eristetty puhtaassa muodossaan.
Mosant jakoi ensin yttrium(III)oksidin kolmeen osaan, jotka kaikki nimettiin malmien mukaan: yttrium(III)oksidi,Erbium(III)oksidija terbiumoksidi. Terbiumoksidi koostui alun perin vaaleanpunaisesta osasta, joka johtui alkuaineesta, joka tunnetaan nykyään erbiumina. ”Erbium(III)oksidi” (mukaan lukien se, mitä nykyään kutsumme terbiumiksi) oli alun perin liuoksen olennaisesti väritön osa. Tämän alkuaineen liukenematonta oksidia pidetään ruskeana.
Myöhemmät työläiset tuskin havaitsivat pientä väritöntä ”erbium(III)oksidia”, mutta liukoista vaaleanpunaista osaa ei voitu sivuuttaa. Erbium(III)oksidin olemassaolosta on keskusteltu toistuvasti. Kaaoksessa alkuperäinen nimi käännettiin päinvastaiseksi ja nimien vaihto juuttui, joten vaaleanpunaista osaa alettiin lopulta mainita erbiumia sisältävänä liuoksena (liuoksessa se oli vaaleanpunaista). Nykyään uskotaan, että natriumbisulfaattia tai kaliumsulfaattia käyttävät työläiset ottavatCerium(IV)oksidiyttrium(III)oksidista ja muuttaa tahattomasti terbiumin ceriumia sisältäväksi sedimentiksi. Vain noin 1 % alkuperäisestä yttrium(III)oksidista, joka nykyään tunnetaan nimellä "terbium", riittää antamaan yttrium(III)oksidille kellertävän värin. Siksi terbium on toissijainen komponentti, joka alun perin sisälsi sitä, ja sitä hallitsevat sen välittömät naapurit, gadolinium ja dysprosium.
Myöhemmin, aina kun tästä seoksesta erotettiin muita harvinaisia maametalleja, oksidin osuudesta riippumatta nimi terbium säilyi, kunnes lopulta terbiumin ruskea oksidi saatiin puhtaassa muodossa. 1800-luvun tutkijat eivät käyttäneet ultraviolettifluoresenssitekniikkaa kirkkaan keltaisten tai vihreiden noduulien (III) havaitsemiseen, mikä helpotti terbiumin tunnistamista kiinteissä seoksissa tai liuoksissa.
Elektronikonfiguraatio
Elektronikonfiguraatio:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Terbiumin elektronikonfiguraatio on [Xe]₆₀₈₄f₇. Normaalisti vain kolme elektronia voidaan poistaa ennen kuin ydinvaraus tulee liian suureksi ionisoituakseen edelleen, mutta terbiumin tapauksessa puolitäytetty terbium mahdollistaa neljännen elektronin ionisoitumisen edelleen erittäin voimakkaiden hapettimien, kuten fluorikaasun, läsnä ollessa.
Terbium on hopeanvalkoinen harvinainen maametalli, jolla on sitkeyttä, pehmeyttä ja jota voidaan leikata veitsellä. Sulamispiste 1360 ℃, kiehumispiste 3123 ℃ ja tiheys 8229 4 kg/m3. Verrattuna varhaisiin lantanidialkuaineisiin se on suhteellisen vakaa ilmassa. Lantanidialkuaineen yhdeksäntenä alkuaineena terbium on vahvasti sähköistävä metalli. Se reagoi veden kanssa muodostaen vetyä.
Luonnossa terbiumia ei ole koskaan löydetty vapaana alkuaineena, ja pieni määrä sitä esiintyy fosfocerium-toriumhiekassa ja gadoliniitissa. Terbiumia esiintyy muiden harvinaisten maametallien kanssa monasiittihiekassa, ja sen terbiumpitoisuus on yleensä 0,03 %. Muita lähteitä ovat ksenotiimi ja mustat harvinaiset kultamalmit, jotka molemmat ovat oksidien seoksia ja sisältävät jopa 1 % terbiumia.
Hakemus
Terbiumin käyttökohteet liittyvät enimmäkseen korkean teknologian aloihin, jotka ovat teknologia- ja osaamisintensiivisiä huippuluokan hankkeita, sekä hankkeisiin, joilla on merkittävää taloudellista hyötyä ja houkuttelevia kehitysnäkymiä.
Tärkeimpiä sovellusalueita ovat:
(1) Käytetään harvinaisten maametallien muodossa. Sitä käytetään esimerkiksi harvinaisten maametallien yhdistelmälannoitteena ja rehun lisäaineena maataloudessa.
(2) Vihreän jauheen aktivaattori kolmessa ensisijaisessa fluoresoivassa jauheessa. Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit vaativat kolmen perusvärin fosforien käyttöä, nimittäin punaista, vihreää ja sinistä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisointiin. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa.
(3) Käytetään magneto-optisena tallennusmateriaalina. Amorfisesta metallista, terbiumista ja siirtymämetalliseoksista valmistettuja ohutkalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn omaavien magneto-optisten levyjen valmistukseen.
(4) Magneto-optisen lasin valmistus. Terbiumia sisältävä Faradayn rotaatiolasi on keskeinen materiaali lasertekniikan rotaattoreiden, isolaattoreiden ja kiertovesipumppujen valmistuksessa.
(5) Terbium-dysprosiumferromagnetostriktiivisen seoksen (TerFenol) kehitys ja kehitys on avannut uusia terbiumin sovelluksia.
Maatalouteen ja karjanhoitoon
Harvinaisten maametallien terbium voi parantaa satojen laatua ja lisätä fotosynteesin nopeutta tietyllä pitoisuusalueella. Terbiumkomplekseilla on korkea biologinen aktiivisuus. Terbiumin kolmikomponenttiset kompleksit, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, omaavat hyviä antibakteerisia ja bakterisidisia vaikutuksia Staphylococcus aureukseen, Bacillus subtilikseen ja Escherichia coliin. Niillä on laaja antibakteerinen kirjo. Tällaisten kompleksien tutkimus tarjoaa uuden tutkimussuunnan nykyaikaisille bakterisidisille lääkkeille.
Käytetään luminesenssin alalla
Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit vaativat kolmen perusvärin fosforin käyttöä: punaisen, vihreän ja sinisen, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisointiin. Terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä loisteputkissa. Jos harvinaisten maametallien väritelevisioiden punaisen loisteputkijauheen syntyminen on lisännyt yttriumin ja europiumin kysyntää, niin terbiumin käyttöä ja kehitystä on edistänyt harvinaisten maametallien kolmen päävärin vihreä loisteputkijauhe lamppuihin. 1980-luvun alussa Philips keksi maailman ensimmäisen kompaktin energiansäästöloistelampun ja teki siitä nopeasti maailmanlaajuisen myynnin. Tb3+-ionit voivat säteillä vihreää valoa, jonka aallonpituus on 545 nm, ja lähes kaikki harvinaisten maametallien vihreät fosforit käyttävät terbiumia aktivaattorina.
Väritelevisioiden katodisädeputkien (CRT) vihreä fosfori on aina perustunut sinkkisulfidiin, joka on halpaa ja tehokasta, mutta terbiumjauhetta on aina käytetty vihreänä fosforina projektioväritelevisioissa, mukaan lukien Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ ja LaOBr ∶ Tb3+. Suurten teräväpiirtotelevisioiden (HDTV) kehityksen myötä kehitetään myös CRT-näyttöihin tarkoitettuja tehokkaita vihreitä fluoresoivia jauheita. Esimerkiksi ulkomailla on kehitetty hybridivihreä fluoresoiva jauhe, joka koostuu Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+:sta, LaOCl:Tb3+:sta ja Y2SiO5:Tb3+:sta, joilla on erinomainen luminesenssitehokkuus suurella virrantiheydellä.
Perinteinen röntgenfluoresoiva jauhe on kalsiumvolframaatti. 1970- ja 1980-luvuilla kehitettiin harvinaisten maametallien fosforeita tehostusnäyttöjä varten, kuten terbiumaktivoitua rikkiä sisältävä lantaanioksidi, terbiumaktivoitua bromia sisältävä lantaanioksidi (vihreisiin näyttöihin) ja terbiumaktivoitua rikkiä sisältävä yttrium(III)oksidi. Kalsiumvolframaattiin verrattuna harvinaisten maametallien fluoresoiva jauhe voi lyhentää potilaiden röntgensäteilytyksen kestoa 80 %, parantaa röntgenfilmien resoluutiota, pidentää röntgenputkien käyttöikää ja vähentää energiankulutusta. Terbiumia käytetään myös fluoresoivan jauheen aktivaattorina lääketieteellisissä röntgenkuvanparannusnäytöissä, mikä voi parantaa huomattavasti röntgensäteiden muuntamisen herkkyyttä optisiksi kuviksi, parantaa röntgenfilmien selkeyttä ja vähentää huomattavasti ihmiskehon röntgensäteiden altistusannosta (yli 50 %).
Terbiumia käytetään myös aktivaattorina valkoisissa LED-fosforeissa, joita sininen valo virittää uusissa puolijohdevalaisimissa. Sitä voidaan käyttää terbium-alumiini-magneto-optisten kidefosforien valmistukseen käyttämällä sinisiä valodiodeja viritysvalonlähteinä, ja tuotettu fluoresenssi sekoitetaan viritysvaloon puhtaan valkoisen valon tuottamiseksi.
Terbiumista valmistetut elektroluminesenssimateriaalit sisältävät pääasiassa sinkkisulfidivihreää fosforia, jossa terbium toimii aktivaattorina. Ultraviolettisäteilytyksen alaisena terbiumin orgaaniset kompleksit voivat emittoida voimakasta vihreää fluoresenssia ja niitä voidaan käyttää ohutkalvoelektroluminesenssimateriaaleina. Vaikka harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksien elektroluminesenssiohutkalvojen tutkimuksessa on edistytty merkittävästi, käytännöllisyydessä on edelleen tietty kuilu, ja harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksien elektroluminesenssiohutkalvojen ja -laitteiden tutkimus on vielä syvällistä.
Terbiumin fluoresenssiominaisuuksia käytetään myös fluoresenssikoettimina. Esimerkiksi ofloksasiiniterbiumin (Tb3+) fluoresenssikoetinta käytettiin tutkimaan ofloksasiiniterbiumin (Tb3+) kompleksin ja DNA:n (DNA) välistä vuorovaikutusta fluoresenssispektrin ja absorptiospektrin avulla, mikä osoittaa, että ofloksasiini Tb3+ -koetin voi muodostaa uran sitoutuessaan DNA-molekyyleihin ja DNA voi merkittävästi tehostaa ofloksasiini Tb3+ -järjestelmän fluoresenssia. Tämän muutoksen perusteella DNA voidaan määrittää.
Magneto-optisille materiaaleille
Faradayn efektin omaavia materiaaleja, jotka tunnetaan myös magneto-optisina materiaaleina, käytetään laajalti lasereissa ja muissa optisissa laitteissa. Magneto-optisia materiaaleja on kaksi yleistä tyyppiä: magneto-optiset kiteet ja magneto-optinen lasi. Näistä magneto-optisilla kiteillä (kuten yttriumrautagranaatti ja terbiumgalliumgranaatti) on etuna säädettävä toimintataajuus ja korkea lämmönkestävyys, mutta ne ovat kalliita ja vaikeasti valmistettavia. Lisäksi monilla magneto-optisilla kiteillä, joilla on korkea Faradayn kiertokulma, on korkea absorptio lyhytaaltoalueella, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Magneto-optisiin kiteisiin verrattuna magneto-optisella lasilla on etuna korkea läpäisykyky ja se on helppo valmistaa suuriksi lohkoiksi tai kuiduiksi. Tällä hetkellä korkean Faradayn efektin omaavat magneto-optiset lasit ovat pääasiassa harvinaisten maametallien ioneilla seostettuja laseja.
Käytetään magneto-optisiin tallennusmateriaaleihin
Viime vuosina multimedian ja toimistoautomaation nopean kehityksen myötä uusien suuren kapasiteetin magneettilevyjen kysyntä on kasvanut. Amorfisia metalleja, terbium-siirtymämetalliseoskalvoja, on käytetty korkean suorituskyvyn omaavien magneto-optisten levyjen valmistukseen. Näistä TbFeCo-seoskalvolla on paras suorituskyky. Terbiumpohjaisia magneto-optisia materiaaleja on tuotettu laajamittaisesti, ja niistä valmistettuja magneto-optisia levyjä käytetään tietokoneiden tallennuskomponentteina, joiden tallennuskapasiteetti on kasvanut 10–15-kertaiseksi. Niiden etuna on suuri kapasiteetti ja nopea käyttönopeus, ja niitä voidaan pyyhkiä ja pinnoittaa kymmeniätuhansia kertoja, kun niitä käytetään suuren tiheyden omaavissa optisissa levyissä. Ne ovat tärkeitä materiaaleja elektronisen tiedon tallennustekniikassa. Yleisimmin käytetty magneto-optinen materiaali näkyvällä ja lähi-infrapuna-alueella on terbium-galliumgranaatti (TGG) -yksikide, joka on paras magneto-optinen materiaali Faradayn rotaattoreiden ja isolaattoreiden valmistukseen.
Magneettiselle optiselle lasille
Faradayn magnetooptisella lasilla on hyvä läpinäkyvyys ja isotropia näkyvällä ja infrapuna-alueella, ja se voi muodostaa erilaisia monimutkaisia muotoja. Siitä on helppo valmistaa suurikokoisia tuotteita ja se voidaan vetää optisiksi kuiduiksi. Siksi sillä on laajat sovellusmahdollisuudet magnetooptisissa laitteissa, kuten magnetooptisissa eristimissä, magnetooptisissa modulaattoreissa ja kuituoptisissa virta-antureissa. Suuren magneettisen momenttinsa ja pienen absorptiokerroimensa ansiosta näkyvällä ja infrapuna-alueella Tb3+-ioneista on tullut yleisesti käytettyjä harvinaisten maametallien ioneja magnetooptisissa laseissa.
Terbiumdysprosium ferromagnetostriktiivinen seos
1900-luvun lopulla maailman tieteellisen ja teknologisen vallankumouksen syventyessä uusia harvinaisten maametallien sovellettuja materiaaleja syntyi nopeasti. Vuonna 1984 Yhdysvaltain Iowan osavaltionyliopisto, Yhdysvaltain energiaministeriön Ames-laboratorio ja Yhdysvaltain laivaston pinta-aseiden tutkimuskeskus (myöhemmin perustetun American Edge Technology Companyn (ET REMA) päähenkilöstö tuli keskuksesta) kehittivät yhdessä uuden harvinaisten maametallien älykkään materiaalin, terbiumdysprosiumrautajättimagnetostriktiivisen materiaalin. Tällä uudella älykkäällä materiaalilla on erinomaiset ominaisuudet muuntaa sähköenergia nopeasti mekaaniseksi energiaksi. Tästä jättimäisestä magnetostriktiivisestä materiaalista valmistettuja vedenalaisia ja sähköakustisia muuntimia on käytetty menestyksekkäästi laivaston laitteissa, öljylähteiden havaitsemiskaiuttimissa, melun ja tärinän hallintajärjestelmissä sekä valtamerten etsintä- ja maanalaisissa viestintäjärjestelmissä. Siksi heti kun terbiumdysprosiumrautajättimagnetostriktiivinen materiaali syntyi, se sai laajaa huomiota teollisuusmaissa ympäri maailmaa. Yhdysvalloissa Edge Technologies aloitti terbium-dysprosium-rautajättiläisten magnetostriktiivisten materiaalien tuotannon vuonna 1989 ja nimesi ne Terfenol D:ksi. Myöhemmin Ruotsi, Japani, Venäjä, Iso-Britannia ja Australia kehittivät myös terbium-dysprosium-rautajättiläisten magnetostriktiivisiä materiaaleja.
Tämän materiaalin kehityshistoriasta Yhdysvalloissa voidaan päätellä, että sekä materiaalin keksiminen että sen varhaiset monopolistiset sovellukset liittyvät suoraan sotateollisuuteen (kuten laivastoon). Vaikka Kiinan sotilas- ja puolustusministeriöt vahvistavat vähitellen ymmärrystään tästä materiaalista, Kiinan kansallisen voiman kasvaessa merkittävästi 2000-luvun sotilaallisen kilpailustrategian toteuttamisen ja varusteiden tason parantamisen vaatimukset ovat varmasti erittäin kiireellisiä. Siksi terbium-dysprosiumrautajättiläismagnetostriktiivisten materiaalien laaja käyttö sotilas- ja puolustusministeriöissä on historiallinen välttämättömyys.
Lyhyesti sanottuna terbiumin monet erinomaiset ominaisuudet tekevät siitä välttämättömän osan monissa funktionaalisissa materiaaleissa ja korvaamattoman aseman joillakin sovellusaloilla. Terbiumin korkean hinnan vuoksi ihmiset ovat kuitenkin tutkineet, miten terbiumin käyttöä voitaisiin välttää ja minimoida tuotantokustannusten alentamiseksi. Esimerkiksi harvinaisten maametallien magneto-optisten materiaalien tulisi käyttää myös edullista dysprosiumrautakobolttia tai gadoliniumterbiumkobolttia mahdollisimman paljon. Pyri vähentämään terbiumin pitoisuutta käytettävässä vihreässä fluoresoivassa jauheessa. Hinnasta on tullut tärkeä tekijä, joka rajoittaa terbiumin laajamittaista käyttöä. Mutta monet funktionaaliset materiaalit eivät voi tehdä ilman sitä, joten meidän on noudatettava periaatetta "käytä terässä hyvää terästä" ja pyrittävä säästämään terbiumin käyttö mahdollisimman paljon.
Julkaisun aika: 05.07.2023