Maaginen harvinainen maametalli: terbium

Terbiumkuuluu raskaiden harvinaisten maametallien luokkaan, ja sen pitoisuus maankuoressa on alhainen, vain 1,1 ppm.Terbiumoksidimuodostaa alle 0,01 % harvinaisten maametallien kokonaismäärästä. Jopa runsaasti yttriumia sisältävässä raskaassa harvinaisten maametallien malmissa, jossa on korkein terbiumpitoisuus, terbiumin osuus on vain 1,1–1,2 % kokonaismäärästä.harvinaisten maametallien, mikä osoittaa, että se kuuluu "jalo"-kategoriaanharvinaisten maametallienalkuaineita. Yli 100 vuoden ajan terbiumin löytämisestä vuonna 1843 sen harvinaisuus ja arvo ovat estäneet sen käytännön soveltamisen pitkään. Vasta viimeisten 30 vuoden aikanaterbiumon osoittanut ainutlaatuisen lahjakkuutensa.

Historian löytäminen

Ruotsalainen kemisti Carl Gustaf Mosander löysi terbiumin vuonna 1843. Hän löysi sen epäpuhtauksiayttriumoksidijaY2O3. Yttriumon nimetty Ruotsin Itbyn kylän mukaan. Ennen ioninvaihtotekniikan keksimistä terbiumia ei eristetty puhtaassa muodossaan.

Mossander jakoi ensimmäisenäyttriumoksidikolmeen osaan, jotka kaikki on nimetty malmien mukaan:yttriumoksidi, erbiumoksidijaterbiumoksidi. Terbiumoksidikoostui alun perin vaaleanpunaisesta osasta, johtuen alkuaineesta, joka tunnetaan nykyään nimelläerbium. Erbiumoksidi(mukaan lukien se, mitä nykyään kutsumme terbiumiksi) oli alun perin väritön osa liuoksessa. Tämän alkuaineen liukenematonta oksidia pidetään ruskeana.

Myöhempien työntekijöiden oli vaikea havaita pieniä värittömiä "erbiumoksidi”, mutta liukoista vaaleanpunaista osaa ei voida sivuuttaa. Keskustelu sen olemassaolostaerbiumoksidion toistuvasti noussut esiin. Kaaoksessa alkuperäinen nimi käännettiin päinvastaiseksi ja nimien vaihto juuttui, joten vaaleanpunainen osa mainittiin lopulta erbiumia sisältävänä liuoksena (liuoksessa se oli vaaleanpunainen). Nykyään uskotaan, että työntekijät, jotka käyttävät natriumdisulfidia tai kaliumsulfaattia ceriumdioksidin poistamiseenyttriumoksidivahingossa kääntyäterbiumceriumia sisältäviksi saostumiksi. Nykyisin tunnettu nimellä "terbium", vain noin 1 % alkuperäisestäyttriumoksidion läsnä, mutta tämä riittää siirtämään vaaleankeltaisen värinyttriumoksidiSiksiterbiumon toissijainen komponentti, joka alun perin sisälsi sen, ja sitä hallitsevat sen välittömät naapurit,gadoliniumjadysprosium.

Myöhemmin, aina kun muulloinharvinaisten maametallienalkuaineet erotettiin tästä seoksesta oksidin suhteesta riippumatta, terbiumin nimi säilyi, kunnes lopulta ruskea oksiditerbiumsaatiin puhtaassa muodossa. 1800-luvun tutkijat eivät käyttäneet ultraviolettifluoresenssitekniikkaa kirkkaan keltaisten tai vihreiden noduleiden (III) havaitsemiseen, mikä helpotti terbiumin tunnistamista kiinteissä seoksissa tai liuoksissa.

Elektronikonfiguraatio

Elektroninen asettelu:

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

Elektroninen järjestelyterbiumon [Xe] 6s24f9. Normaalisti vain kolme elektronia voidaan poistaa ennen kuin ydinvaraus kasvaa liian suureksi ionisoituakseen edelleen. Kuitenkin, josterbium, puolitäytettyterbiummahdollistaa neljännen elektronin lisäionisaation erittäin voimakkaan hapettimen, kuten fluorikaasun, läsnä ollessa.

Metalli

Terbiumon hopeanvalkoinen harvinainen maametalli, jolla on sitkeyttä, pehmeyttä ja jota voidaan leikata veitsellä. Sulamispiste 1360 ℃, kiehumispiste 3123 ℃, tiheys 8229 4 kg/m3. Verrattuna varhaisiin lantanidialkuaineisiin se on suhteellisen stabiili ilmassa. Lantanidialkuaineiden yhdeksäs alkuaine, terbium, on erittäin varautunut metalli, joka reagoi veden kanssa muodostaen vetykaasua.

Luonnossaterbiumei ole koskaan löydetty vapaasta alkuaineesta, sitä esiintyy pieninä määrinä fosforipitoisessa cerium-toriumhiekassa ja piiberylliumyttriummalmissa.Terbiumesiintyy muiden harvinaisten maametallien kanssa monasiittihiekassa, ja sen terbiumpitoisuus on yleensä 0,03 %. Muita lähteitä ovat yttriumfosfaatti ja harvinaisten maametallien kulta, jotka molemmat ovat oksidien seoksia, jotka sisältävät jopa 1 % terbiumia.

Hakemus

Soveltaminenterbiumkoskee enimmäkseen korkean teknologian aloja, jotka ovat teknologia- ja osaamisintensiivisiä huippuhankkeita, sekä hankkeita, 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. Jaterbiumon 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

Harvinaiset maametallitterbiumvoi parantaa sadon laatua ja lisätä fotosynteesin nopeutta tietyllä pitoisuusalueella. Terbiumin komplekseilla on korkea biologinen aktiivisuus, ja terbiumin kolmikomponenttiset kompleksitterbium, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3-3H2O, omaavat hyviä antibakteerisia ja bakterisidisia vaikutuksia Staphylococcus aureukseen, Bacillus subtilikseen ja Escherichia coliin, ja niillä on laajakirjoisia antibakteerisia ominaisuuksia. Näiden kompleksien tutkimus tarjoaa uuden tutkimussuunnan nykyaikaisille bakterisidisille lääkkeille.

Käytetään luminesenssin alalla

Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit vaativat kolmen perusfosforivärin, punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisointiin. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa. Jos harvinaisten maametallien väritelevisioiden punaisen fluoresoivan jauheen syntyminen on herättänyt kysyntääyttriumjaeuropiumSitten terbiumin käyttöä ja kehitystä on edistänyt harvinaisten maametallien kolmen päävärin vihreä loisteputkijauhe lampuissa. 1980-luvun alussa Philips keksi maailman ensimmäisen kompaktin energiansäästöloistelampun ja edisti sitä nopeasti maailmanlaajuisesti. Tb3+-ionit voivat lähettää vihreää valoa, jonka aallonpituus on 545 nm, ja lähes kaikki harvinaisten maametallien vihreät loisteputkijauheet käyttävätterbium, aktivaattorina.

Väritelevisioiden katodisädeputkissa (CRT) käytetty vihreä fluoresoiva jauhe on aina perustunut pääasiassa halpaan ja tehokkaaseen sinkkisulfidiin, mutta terbiumjauhetta on aina käytetty projektioväritelevisioiden vihreänä jauheena, kuten 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, ja jolla on erinomainen luminesenssitehokkuus suurella virrantiheydellä.

Perinteinen röntgenfluoresoiva jauhe on kalsiumvolframaatti. 1970- ja 1980-luvuilla kehitettiin harvinaisten maametallien fluoresoivia jauheita herkistysnäyttöjä varten, kutenterbium,aktivoitu lantaanisulfidioksidi, terbiumaktivoitu lantaanibromidioksidi (vihreille kuvaruuduille) ja terbiumaktivoitu yttriumsulfidioksidi. 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 röntgenkuvanparannuslaseissa, mikä voi parantaa huomattavasti röntgensäteiden muuntamisen herkkyyttä optisiksi kuviksi, parantaa röntgenfilmien selkeyttä ja vähentää huomattavasti ihmiskehon röntgensäteiden altistusannosta (yli 50 %).

Terbiumkäytetään myös aktivaattorina valkoisessa LED-fosforissa, jota 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 elektroluminesoivat materiaalit sisältävät pääasiassa sinkkisulfidivihreää fluoresoivaa jauhetta, jossa onterbiumaktivaattorina. Ultraviolettisäteilytyksen alaisena terbiumin orgaaniset kompleksit voivat emittoida voimakasta vihreää fluoresenssia ja niitä voidaan käyttää ohutkalvoisina elektroluminesenssimateriaaleina. Vaikka merkittävää edistystä on tapahtunutharvinaisten maametallienOrgaanisten kompleksisten elektroluminesoivien ohutkalvojen kanssa on vielä tietty kuilu käytännöllisyydestä, ja harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksisten elektroluminesoivien ohutkalvojen ja -laitteiden tutkimus on vielä perusteellista.

Terbiumin fluoresenssiominaisuuksia käytetään myös fluoresenssiantureina. Ofloksasiiniterbiumin (Tb3+) kompleksin ja deoksiribonukleiinihapon (DNA) välistä vuorovaikutusta tutkittiin käyttämällä fluoresenssi- ja absorptiospektrejä, kuten ofloksasiiniterbiumin (Tb3+) fluoresenssiantureilla. Tulokset osoittivat, että ofloksasiini Tb3+ -koetin voi muodostaa uran sitoutuessaan DNA-molekyyleihin, ja deoksiribonukleiinihappo voi merkittävästi tehostaa ofloksasiini Tb3+ -järjestelmän fluoresenssia. Tämän muutoksen perusteella deoksiribonukleiinihappo 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-seosohutkalvolla 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 teknologisen vallankumouksen jatkuvasti syventyessä, uusia harvinaisten maametallien sovellusmateriaaleja syntyi nopeasti. Vuonna 1984 Iowan osavaltionyliopisto, Yhdysvaltain energiaministeriön Amesin laboratorio ja Yhdysvaltain laivaston pinta-aseiden tutkimuskeskus (josta myöhemmin perustetun Edge Technology Corporationin (ET REMA) päähenkilöstö tuli) tekivät yhteistyötä kehittääkseen uuden harvinaisten maametallien älykkään materiaalin, nimittäin terbiumdysprosiumferromagneettisen magnetostriktiivisen materiaalin. Tällä uudella älykkäällä materiaalilla on erinomaiset ominaisuudet muuntaa sähköenergia nopeasti mekaaniseksi energiaksi. Tästä jättimäisestä magnetostriktiivisestä materiaalista valmistettuja vedenalaisia ​​ja sähköakustisia muuntimia on onnistuneesti konfiguroitu laivaston laitteissa, öljylähteiden havaitsemiskaiuttimissa, melun ja tärinän hallintajärjestelmissä sekä valtamerten etsintä- ja maanalaisissa viestintäjärjestelmissä. Siksi heti kun terbiumdysprosiumrautajättiläinen magnetostriktiivinen 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 vahvuuden merkittävän parantumisen myötä 2000-luvun sotilaallisen kilpailukykystrategian saavuttaminen ja varustetason parantaminen on kuitenkin ehdottomasti erittäin tärkeää. Siksi terbium-dysprosiumrautajättiläismagnetostriktiivisten materiaalien laaja käyttö sotilas- ja puolustusministeriöissä on historiallinen välttämättömyys.

Lyhyesti sanottuna, sen monet erinomaiset ominaisuudetterbiumtekevät siitä välttämättömän osan monissa toiminnallisissa 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 myös käyttää edullisiadysprosiumrautakobolttia tai gadoliniumia, terbiumia ja kobolttia niin paljon kuin mahdollista; Pyri vähentämään käytettävän vihreän fluoresoivan jauheen terbiumin pitoisuutta. Hinnasta on tullut tärkeä tekijä, joka rajoittaa jauheen laajamittaista käyttöä.terbiumMutta monet toiminnalliset materiaalit eivät voi tehdä ilman sitä, joten meidän on noudatettava periaatetta "käyttää hyvää terästä terässä" ja yritettävä säästää sen käyttöä.terbiumniin paljon kuin mahdollista.