Maaginen harvinainen maametalli: terbium

Terbiumikuuluu raskaiden harvinaisten maametallien luokkaan, ja maapallon kuoressa on vähän runsaasti vain 1,1 ppm.Terbiumoksidiosuus on alle 0,01% harvinaisista maametallista. Jopa korkean yttrium-ionityyppisessä raskaassa harvinaisessa maametallimalmissa, joilla on korkein terbiumin pitoisuus, terbiumipitoisuus on vain 1,1-1,2% kokonaismäärästäharvinainen maametalli, osoittaa, että se kuuluu "jalo" -luokkaanharvinainen maametallielementit. Yli 100 vuotta terbiumin löytämisestä vuonna 1843 sen niukkuus ja arvo ovat estäneet sen käytännön soveltamisen pitkään. Vasta viimeisen 30 vuoden aikanaterbiumion osoittanut ainutlaatuisen kykynsä.

Löydä historia

Ruotsalainen kemisti Carl Gustaf Mosander löysi terbiumin vuonna 1843. Hän löysi sen epäpuhtaudetyttriumoksidijaY2O3. Yttriumon nimetty ITBY -kylän mukaan Ruotsissa. Ennen ioninvaihtotekniikan syntymistä terbiumia ei eristetty puhtaassa muodossaan.

Mossander jakautui ensinyttriumoksidiKolmeen osaan, kaikki malmien mukaan:yttriumoksidi, erbiumoksidijaterbiumoksidi. Terbiumoksidikoostui alun perin vaaleanpunaisesta osasta, koska elementti, joka tunnetaan nyt nimelläerbium. Erbiumoksidi(Sisältää sen, mitä nyt kutsumme terbiumiksi) oli alun perin väritön osa ratkaisua. Tämän elementin liukenematonta oksidia pidetään ruskeana.

Myöhemmin työntekijöiden oli vaikea tarkkailla pieniä värittömiä ”erbiumoksidi", Mutta liukoista vaaleanpunaista osaa ei voida sivuuttaa. Keskusteluerbiumoksidion toistuvasti syntynyt. Kaaoksessa alkuperäinen nimi käännettiin ja nimienvaihto oli jumissa, joten vaaleanpunainen osa lopulta mainittiin Erbiumia sisältäväksi liuokseksi (liuoksessa se oli vaaleanpunainen). Nyt uskotaan, että työntekijät, jotka käyttävät natriumdisulfidia tai kaliumsulfaattia cerium -dioksidin poistamiseksiyttriumoksiditahattomasti kääntyäterbiumiCeriumiin, joka sisältää saostumia. Tällä hetkellä tunnetaan nimellä 'terbiumi', vain noin 1% alkuperäisestäyttriumoksidion läsnä, mutta tämä riittää lähettämään vaaleankeltaisen värinyttriumoksidi. Siksi,terbiumion toissijainen komponentti, joka alun perin se sisälsi, ja sitä hallitsevat sen välittömät naapurit,gadoliinijadysprosium.

Myöhemmin, aina kun toinenharvinainen maametalliElementit erotettiin tästä seoksesta riippumatta oksidin osuudesta, terbiumin nimi säilytettiin, kunnes lopulta ruskea oksiditerbiumisaatiin puhtaasti. 1800 -luvun tutkijat eivät käyttäneet ultraviolettifluoresenssitekniikkaa kirkkaan keltaisten tai vihreiden kyhmyjen (III) tarkkailuun, mikä helpottaa terbiumin tunnistamista kiinteissä seoksissa tai liuoksissa.

Elektronikokoonpano

Sähköinen asettelu:

1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P6 5S2 4D10 5P6 6S2 4F9

Elektroninen järjestelyterbiumion [xe] 6S24F9. Normaalisti vain kolme elektronia voidaan poistaa ennen kuin ydinvaraus muuttuu liian suureksi ionisoimaan edelleen. Tapauksessa kuitenkinterbiumi, puoliksi täytettyterbiumiMahdollistaa neljännen elektronin edelleen ionisaation erittäin vahvan hapettimen, kuten fluorikaasun, läsnä ollessa.

Metalli

Terbiumion hopeavalkoinen harvinainen maametalli, jolla on taipuisuus, sitkeys ja pehmeys, joka voidaan leikata veitsellä. Sulamispiste 1360 ℃, kiehumispiste 3123 ℃, tiheys 8229 4kg/m3. Verrattuna varhaisiin lantanidielementteihin, se on suhteellisen vakaa ilmassa. Lantanidielementtien yhdeksäs elementti, terbium, on erittäin varautunut metalli, joka reagoi vedellä vetykaasun muodostamiseksi.

Luonnossa,terbiumiei ole koskaan todettu olevan vapaa elementti, jota esiintyy pieninä määrinä fosfori cerium -toriumhiekan ja piin beryllium yttriummalmissa.TerbiumiSamanaikaisesti muiden harvinaisten maametallien elementtien kanssa monasiittihiekassa, yleensä 0,03% terbiumipitoisuudella. Muita lähteitä ovat yttriumfosfaatti ja harvinainen maametallikulta, jotka molemmat ovat jopa 1% terbiumia sisältävien oksidien seoksia.

Soveltaminen

SoveltaminenterbiumiEnimmäkseen sisältyy korkean teknologian kentät, jotka ovat tekniikan intensiivisiä ja tietointensiivisiä huippuluokan hankkeita sekä hankkeita, joilla on merkittäviä taloudellisia etuja, joilla on houkuttelevia kehitysnäkymiä.

Tärkeimmät sovellusalueet sisältävät:

(1) käytetty sekoitettujen harvinaisten maametallien muodossa. Sitä käytetään esimerkiksi harvinaisena maametallilannoitteena ja syötteen lisäaineena maataloudelle.

(2) Vihreän jauheen aktivaattori kolmessa primaarisessa fluoresoivassa jauheessa. Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit vaativat kolmen fosforin perusvärin, nimittäin punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisoimiseen. Jaterbiumion välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa.

(3) käytetään magneto -optisena säilytysmateriaalina. Amorfisia metalliterbiumsiirtymän metalliseoksen ohutkalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn magneto-optisten levyjen valmistukseen.

(4) Magneto -optinen lasi. Terbiumia sisältävä Faraday -kiertolasit ovat avainmateriaali rotaattorien, eristysten ja kiertolaitteiden valmistukseen lasertekniikassa.

(5) Terbium dysprosium ferromagnetostriktiiviseoksen (terfenoli) kehittäminen ja kehittäminen on avannut uusia sovelluksia terbiumille.

Maatalouden ja karjankasvatuksen kannalta

Harvinainen maametalliterbiumiVoi parantaa viljelykasvien laatua ja lisätä fotosynteesin nopeutta tietyllä pitoisuusalueella. Terbiumin komplekseilla on korkea biologinen aktiivisuus jaterbiumi, TB (ALA) 3Benim (CLO4) 3-3H2O, on hyvät antibakteeriset ja bakteerisidiset vaikutukset Staphylococcus aureukseen, Bacillus subtilisiin ja Escherichia coliin, joilla on laajapektriset antibakteeriset ominaisuudet. Näiden kompleksien tutkimus tarjoaa uuden tutkimussuunnan nykyaikaisille bakteereihin.

Käytetään luminesenssin alalla

Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit vaativat kolmen fosforin perusvärin, nimittäin punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisoimiseen. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa. Jos harvinaisten maametallien väri -TV Red Fluoresence -jauhe on stimuloinut kysyntääyttriumjaeuropium, sitten terbiumin käyttö ja kehitys on edistänyt harvinaisten maametallien kolmen primaarisen vihreän fluoresoivan jauheen avulla lamppuille. 1980-luvun alkupuolella Philips keksi maailman ensimmäisen kompaktin energiaa säästävän loisteputken ja edisti sitä nopeasti maailmanlaajuisesti. TB3+-ionit voivat lähettää vihreää valoa aallonpituudella 545 nm ja melkein kaikki harvinaiset maametallit vihreät fluoresoivat jauheetterbiumi, aktivaattorina.

Väri -tv -katodisäteputkissa (CRT) käytetty vihreä fluoresoiva jauhe on aina perustunut pääasiassa halpaan ja tehokkaaseen sinkkisulfidiin, mutta terbiumjauhetta on aina käytetty projektiona väri -TV Green -jauheena, kuten Y2SIO5: TB3+, Y3 (AL, GA) 5O12: TB3+ja Laobr: TB3+. Kehitetään myös suuren näytön teräväpiirtotelevisio (HDTV), CRTS: lle kehitetään myös korkean suorituskyvyn vihreitä fluoresoivia jauheita. Esimerkiksi ulkomaille on kehitetty hybridi vihreä fluoresoiva jauhe, joka koostuu Y3 (AL, GA) 5O12: TB3+, LAOCL: TB3+ja Y2SIO5: TB3+, joilla on erinomainen luminesenssitehokkuus korkealla virrantiheydellä.

Perinteinen röntgenfluoresoiva jauhe on kalsium volgstate. 1970- ja 1980 -luvulla kehitettiin harvinaisia ​​maametallien fluoresoivia jauheita herkistymisseuloille, kuten esimerkiksiterbiumi, aktivoitu lantanum -sulfidioksidi, terbium -aktivoitu lantanumbromidioksidi (vihreälle seulolle) ja terbiumin aktivoidut yttriumsulfidioksidit. Verrattuna kalsiumvoimiin, harvinainen maapallon fluoresoiva jauhe voi lyhentää potilaiden röntgensäteilytyksen aikaa 80%, parantaa röntgenkalvojen resoluutiota, pidentää röntgenputkien käyttöikää ja vähentää energiankulutusta. Terbiumia käytetään myös fluoresoivana jauheen aktivaattorina lääketieteellisille röntgenparannusnäytöille, jotka voivat parantaa huomattavasti röntgenmuunnoksen herkkyyttä optisiksi kuviksi, parantaa röntgenkalvojen selkeyttä ja vähentää huomattavasti ihmiskehon röntgenanalto-annosta (yli 50%).

Terbiumikäytetään myös aktivaattorina valkoisessa LED -fosforissa, joka herättää sinisen valon uudelle puolijohdevalaistukselle. Sitä voidaan käyttää terbiumin alumiinimagneto -optisten kidefosforien tuottamiseen käyttämällä sinistä valoa, joka säteilee diodeja viritysvalolähteinä, ja muodostettu fluoresenssi sekoitetaan viritysvalon kanssa puhdasta valkoisen valon tuottamiseksi

Terbiumista valmistetut elektroluminesoivat materiaalit sisältävät pääasiassa sinkkisulfidiherryttäviä jauheitaterbiumiaktivaattorina. Ultraviolettien säteilytyksessä terbiumin orgaaniset kompleksit voivat säteillä voimakasta vihreää fluoresenssia ja niitä voidaan käyttää ohutkalvojen elektroluminesoivina materiaaleina. Vaikka tutkimuksessa on tapahtunut huomattavaa edistystäharvinainen maametalliOrgaanisen kompleksin elektroluminesoivat ohutkalvot, käytännöllisyydestä on edelleen tietty aukko, ja harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksien elektroluminesoivien ohutkalvojen ja laitteiden tutkimus on edelleen syvyydessä.

Terbiumin fluoresenssiominaisuuksia käytetään myös fluoresenssikoettimina. Ofloksasiiniterbium (TB3+) -kompleksin ja deoksihiobonukleiinihapon (DNA) välistä vuorovaikutusta tutkittiin käyttämällä fluoresenssi- ja absorptiospektrejä, kuten ofloksasiiniterbiumin fluoresenssikoetinta (TB3+). Tulokset osoittivat, että Ofloxacin TB3+-anturi voi muodostaa uran sitoutumisen DNA -molekyyleillä ja deoksihiobonukleiinihappo voi merkittävästi parantaa loksasiinin TB3+-järjestelmän fluoresenssia. Tämän muutoksen perusteella voidaan määrittää deoksyyribonukleiinihappo.

Magneto -optisiin materiaaleihin

Materiaaleja, joilla on Faraday-vaikutusta, joka tunnetaan myös nimellä magneto-optiset materiaalit, käytetään laajasti laserissa ja muissa optisissa laitteissa. Magneto -optisia materiaaleja on kahta yleistä tyyppiä: magneto -optiset kiteet ja magneto -optiset lasit. Niistä magneto-optisilla kiteillä (kuten yttriumrautagranaatti ja terbium gallium granaatti) on säädettävän käyttötaajuuden ja korkean lämpöstabiilisuuden edut, mutta ne ovat kalliita ja vaikeat valmistaa. Lisäksi monilla magneto-optisilla kiteillä, joilla on korkeat faraday-kiertokulmat, on korkea absorptio lyhyellä aaltoalueella, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Magneto -optisiin kiteisiin verrattuna magneto -optisella lasilla on korkea läpäisevyys, ja se on helppo tehdä suuriksi lohkoiksi tai kuiduiksi. Tällä hetkellä magneto-optiset lasit, joilla on korkea Faraday-vaikutus, ovat pääasiassa harvinaisia ​​maametalli-ionin seostettuja laseja.

Käytetään magneto -optisiin säilytysmateriaaleihin

Viime vuosina multimedia- ja toimistoautomaation nopea kehityksen myötä uusien korkean kapasiteetin magneettikielien kysyntä on lisääntynyt. Amorfisia metalliterbiumsiirtymän metalliseoksen ohutkalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn magneto-optisten levyjen valmistukseen. Niistä TBFECO -seos ohutkalvolla on paras esitys. Terbiumpohjaisia ​​magneto-optisia materiaaleja on tuotettu suuressa mittakaavassa, ja niistä valmistettuja magneto-optisia levyjä käytetään tietokoneen säilytyskomponentteina, ja säilytyskapasiteetti kasvaa 10-15 kertaa. Heillä on suuren kapasiteetin ja nopean pääsyn nopeuden edut, ja ne voidaan pyyhkiä ja päällystää kymmeniä tuhansia kertoja, kun niitä käytetään korkean tiheyden optisiin levyihin. Ne ovat tärkeitä materiaaleja sähköisen tiedon tallennustekniikassa. Yleisimmin käytetty magneto-optinen materiaali näkyvissä ja lähi-infrapunakaistaissa on terbium gallium-granaatti (TGG) yksi kide, joka on paras magneto-optinen materiaali Faraday-rotaattorien ja eristäjien valmistamiseksi.

Magneto -optiseen lasiin

Faradayn magneto -optisella lasilla on hyvä läpinäkyvyys ja isotropia näkyvissä ja infrapuna -alueilla, ja se voi muodostaa erilaisia ​​monimutkaisia ​​muotoja. Suurten tuotteiden tuottaminen on helppo ja se voidaan piirtää optisiin kuituihin. Siksi sillä on laajat sovellusnäkymät magneto -optisissa laitteissa, kuten magneto -optiset eristimet, magneto -optiset modulaattorit ja kuituoptiset virran anturit. Suuren magneettisen momentinsa ja pienen imeytymiskertoimen vuoksi näkyvällä ja infrapuna -alueella TB3+-ioneista on tullut yleisesti käytettyjä harvinaisia ​​maametalli -ioneja magneto -optisissa lasissa.

Terbium dysprosium ferromagnetostriktive seos

1900 -luvun lopulla maailman teknologisen vallankumouksen jatkuvan syventäessä uusia harvinaisten maametallien käyttömateriaaleja syntyi nopeasti. Vuonna 1984 Iowan osavaltion yliopisto, Yhdysvaltain energiaministeriön Ames -laboratorio ja Yhdysvaltain merivoimien pinta -aseiden tutkimuskeskus (josta myöhemmän vakiintuneen reunateknologiayrityksen (ET -rema) päähenkilöstö teki yhteistyötä kehittääkseen uuden harvinaisen maamaisen älykkään materiaalin, nimittäin terbiumin dysprosiumferromagneettisen magneettisen materiaalin. Tällä uudella älykkäällä materiaalilla on erinomaiset ominaisuudet muuttaa sähköenergiaa nopeasti mekaaniseksi energiaksi. Tästä jättiläisestä magnetostriktiivimateriaalista valmistetut vedenalaiset ja elektro-akustiset muuntimet on määritetty onnistuneesti merivoimien laitteisiin, öljykaivojen kaiuttimiin, melu- ja tärinänhallintajärjestelmiin sekä valtameren etsintä- ja maanalaisiin viestintäjärjestelmiin. Siksi heti kun terbium dysprosium rauta jättiläinen magnetostriktiivimateriaali syntyi, se sai laajaa huomiota teollisuusmaista ympäri maailmaa. Edge Technologies Yhdysvalloissa alkoi tuottaa terbiumin dysprisium -rautajättiläisiä magnetostriktiivisiä materiaaleja vuonna 1989 ja nimitti ne Terfenol D. Myöhemmin Ruotsin, Japanin, Venäjän, Yhdistyneen kuningaskunnan ja Australian kehittyessä myös terbiumin dysprosium -rauta jättiläismagnettostriktiiviset materiaalit.

Tämän materiaalin kehityksen historiasta Yhdysvalloissa sekä materiaalin keksintö että sen varhaiset monopolistiset sovellukset liittyvät suoraan sotilasteollisuuteen (kuten merivoimiin). Vaikka Kiinan armeija- ja puolustusosastot vahvistavat vähitellen heidän ymmärrystään tästä materiaalista. Kiinan kattavan kansallisen voiman huomattavan paranemisen myötä 2000 -luvun sotilaallisen kilpailustrategian saavuttamisen ja laitetason parantamisen kysyntä on kuitenkin ehdottomasti erittäin kiireellinen. Siksi armeijan ja kansallisten puolustusosastojen terbium dysprosium -rautajättiläisten magnetostriktiomateriaalien laaja käyttö on historiallinen välttämättömyys.

Lyhyesti sanottuna, monet erinomaiset ominaisuudetterbiumiTee siitä välttämätön jäsen monien funktionaalisten materiaalien ja korvaamattoman sijainnin joissakin sovelluskenttiissä. Terbiumin korkean hinnan vuoksi ihmiset ovat kuitenkin tutkineet terbiumin käytön välttämistä ja minimointia tuotantokustannusten vähentämiseksi. Esimerkiksi harvinaisten maametallien magneto-optisten materiaalien tulisi myös käyttää edullisiadysprosiumrautakoboltti- tai gadoliniumterbiumkoboltti niin paljon kuin mahdollista; Yritä vähentää terbiumin pitoisuutta vihreässä fluoresoivassa jauheessa, jota on käytettävä. Hinnasta on tullut tärkeä tekijä, joka rajoittaa laajalle levinnyttä käyttöäterbiumi. Mutta monet funktionaaliset materiaalit eivät voi tehdä ilman sitä, joten meidän on noudatettava periaatetta "hyvän terästen käyttäminen terällä" ja yritettävä säästääterbiuminiin paljon kuin mahdollista.