· Перевод статьи с сайта ScienceNewsExplores
Эти электроны - суперсила, которая делает эти металлы такими ценными.
Первый том серии "Дюна" Фрэнка Герберта вышел в 1965 году. Главной темой этой эпической космической саги была добыча драгоценного природного вещества - пряного меланжа. Эта пряность дала людям возможность ориентироваться в бескрайних просторах космоса. Она также стала основой межгалактической цивилизации. Разумеется, это была выдумка.
Здесь, на Земле, в реальной жизни, группа металлических элементов сделала возможным наше собственное технологическое общество. Эти 17 элементов, называемые редкоземельными, имеют решающее значение почти для всей современной электроники. И спрос на эти металлы стремительно растет.
Пятнадцать редкоземельных элементов составляют целый ряд в большинстве периодических таблиц. Они известны как лантаноиды, начиная с лантана и заканчивая лютецием - атомные номера от 57 до 71. Также к редкоземельным относятся скандий (атомный номер 21) и иттрий (атомный номер 39). Эти последние два элемента, как правило, встречаются в тех же рудных месторождениях, что и лантаноиды. Они также обладают схожими химическими свойствами.
Редкоземельный церий может служить катализатором для переработки сырой нефти во множество полезных продуктов. В ядерных реакторах используется другой элемент - гадолиний. Он улавливает нейтроны, чтобы контролировать производство энергии в топливе реактора.
Но самыми выдающимися способностями редкоземельных металлов являются их свечение и магнетизм. Например, мы используем редкоземельные элементы для окрашивания экранов наших смартфонов. Они флуоресцируют (светятся под воздействием световых лучей), чтобы показать, что банкноты евро - настоящие. Они передают сигналы по волоконно-оптическим кабелям, проложенным по морскому дну. Они также помогают создавать одни из самых сильных и надежных магнитов в мире. Эти металлы генерируют звуковые волны в ваших наушниках и передают цифровые данные в пространстве.
В последнее время редкоземельные элементы стали движущей силой развития "зеленых" технологий, таких как ветроэнергетика и электромобили. Они даже могут привести к появлению новых деталей, используемых в квантовых компьютерах.
"Они повсюду", - говорит Стивен Бойд об этих металлах. Он химик-синтетик и независимый консультант из Диксона, штат Калифорния. Когда речь заходит о применении редкоземельных металлов, он говорит: "Список можно продолжать и продолжать".
Сверхспособности видны в электронах
Редкоземельные металлы, как правило, пластичны (легко деформируются). Эти металлы также имеют высокие температуры плавления и кипения. Но их тайная сила заключается в их электронах.
Все атомы имеют ядро, окруженное электронами. Эти крошечные электроны обитают в зонах, называемых орбиталями. Электроны на орбиталях, наиболее удаленные от ядра, называются валентными электронами. Они участвуют в химических реакциях и образуют связи, соединяющие атомы вместе.
Большинство лантаноидов обладают еще одним важным набором электронов. Эти "f-электроны" (это электроны (до 14), которые могут находиться в оболочке более крупных атомов. В этой оболочке “f” семь орбиталей, каждая из которых способна вмещать до двух электронов) обитают в зоне "Златовласка". Они расположены рядом с валентными электронами, но немного ближе к ядру. "Именно эти f-электроны отвечают за магнитные и люминесцентные свойства редкоземельных элементов", - говорит Ана де Бетанкур-Диас, химик-неорганик из Университета Невады в Рино.
Место в периодической таблице
Группа из 17 элементов (выделенных синим цветом в этой периодической таблице) известна как редкоземельные. Их подгруппа, известная как лантаноиды - лютеций (Lu), плюс ряд, начинающийся с лантана (La) - представлены в одном ряду. У редкоземельных элементов есть подоболочка электронов (называемых f-электронами), которые придают этим металлам магнитные и люминесцентные свойства.
Свечение редкоземельных элементов
После возбуждения каждый редкоземельный элемент надежно излучает свет точной длины волны (цвета), отмечает де Бетанкур-Диас. Это позволяет инженерам тщательно настраивать электромагнитное излучение во многих электронных устройствах. Тербий, например, излучает свет с длиной волны около 545 нанометров. Это делает его пригодным для создания люминофоров зеленого свечения в экранах телевизоров, компьютеров и смартфонов. Европий, который имеет две распространенные формы, используется для создания красных и синих люминофоров. Такие люминофоры могут окрашивать экраны в большинство оттенков радуги.
Редкоземельные элементы также излучают полезный невидимый свет. Иттрий является ключевым компонентом кристаллов иттрий-алюминий-граната, или YAG. Они составляют основу многих мощных лазеров. Инженеры настраивают длины волн этих лазеров, добавляя в кристаллы YAG другие редкоземельные металлы. Самый популярный: неодимовой YAG-лазер. Он используется для широкого спектра задач - от нарезки стали и удаления татуировок до лазерной дальнометрии. А лучи эрбиевого YAG-лазера - являются хорошим вариантом для некоторых операций. Они не проникают слишком глубоко, потому что их свет легко поглощается водой в наших тканях.
Помимо лазеров, лантан имеет ключевое значение для изготовления стекол, поглощающих инфракрасное излучение, в очках ночного видения. "А эрбий обеспечивает работу нашего интернета", - говорит Тянь Чжун, молекулярный инженер в Чикагском университете, штат Иллинойс. Большая часть наших цифровых данных передается по оптическим волокнам в виде света. Его длина волны обычно составляет около 1 550 нанометров - столько же, сколько излучает эрбий. Сигналы в волоконно-оптических кабелях тускнеют по мере удаления от источника. Поскольку эти кабели могут тянуться на тысячи километров по морскому дну, эрбий добавляют в волокна для усиления сигнала.
Посмотрите, как европий, содержащийся во внедренных волокнах банкноты евро, излучается под ультрафиолетовым светом. Ультрафиолетовый свет возбуждает f-электроны европия, которые затем возвращаются в свое основное состояние и высвобождают при этом фотоны видимого света.
Источник мощных магнитов
В 1945 году, ученые создали первый в мире программируемый цифровой компьютер общего назначения. Его официальное название было ENIAC. Но ученые быстро прозвали его "громадным мозгом". И это было правильно, он весил больше четырех слонов и занимал площадь примерно в две трети размера теннисного корта.
Менее чем через 80 лет наши смартфоны могут похвастаться гораздо большей вычислительной мощностью, чем когда-либо имел ENIAC. Этим сокращением электронных технологий общественность во многом обязано исключительной магнитной силе редких земель. И именно эти f-электроны являются причиной этого.
Редкоземельные элементы имеют множество орбиталей для электронов, но f-электроны обитают в особой группе - или подоболочке - из семи орбиталей. На каждой орбитали может находиться до двух электронов. Но большинство редкоземельных металлов содержат несколько орбиталей в этой подоболочке всего с одним электроном.
Атомы неодима, например, имеют четыре таких одиночных электрона. Диспрозий и самарий - два редкоземельных элемента с пятью одиночными электронами. Важно отметить, что эти неспаренные электроны имеют тенденцию указывать - или вращаться - в одном и том же направлении, говорит Бойд. "Именно это создает северный и южный полюса, которые мы классически понимаем как магнетизм".
Эти одинокие f-электроны зависают за оболочкой валентных электронов. Это в некоторой степени защищает их синхронизированные вращения от тепла и других размагничивающих сил. И это делает эти металлы отличными для создания постоянных магнитов, говорит Чжун.
Магнитные поля в постоянных магнитах, подобных тем, которые удерживают фотографии на дверце холодильника, возникают благодаря атомной структуре магнитов. (Электромагниты, напротив, нуждаются в электрическом токе. Выключите его, и магнетизм тоже выключится).
Но даже при их экранировании редкоземельные магниты имеют свои пределы. Например, чистый неодим легко подвергается коррозии и разрушению. Его магнитное притяжение также начинает терять силу при температуре выше 80° по Цельсию. Поэтому производители часто делают сплавы редкоземельных металлов с некоторыми другими металлами. Это делает магниты более прочными, чем если бы они были изготовлены только из редкоземельных элементов, говорит Дурга Паудьял, физик-теоретик из Национальной лаборатории Эймса в штате Айове.
Он добавляет, что такой подход к сплавам хорошо работает, потому что некоторые редкоземельные металлы могут управлять магнитными полями других металлов. Подобно тому, как взвешенные игральные кости будут преимущественно приземляться на одной стороне, некоторые редкоземельные металлы, такие как неодим и самарий, проявляют более сильный магнетизм в определенных направлениях. Это происходит потому, что орбитали в их 4f-подоболочках заполнены неравномерно. Эта направленность может быть использована для координации полей в других металлах, таких как железо или кобальт. Результат: надежные, чрезвычайно мощные магниты.
Роль таких супермагнитов
Самыми мощными магнитами из сплавов являются NIB (неодимовый магнит) - смесь неодима, железа и бора. Магнит NIB весом 3 килограмма может поднимать предметы, более чем в 100 раз превышающие его вес. Более 95 процентов всех постоянных магнитов в мире изготовлены из этого редкоземельного сплава. Именно эти магниты генерируют вибрацию в смартфонах и воспроизводят звуки в наушниках и вкладышах. Они обеспечивают чтение и запись данных на жестких дисках. Они также создают магнитные поля, используемые в аппаратах МРТ.
Добавление в эти магниты небольшого количества диспрозия повышает их термостойкость. Теперь они станут хорошим выбором для роторов, которые вращаются в горячих внутренностях двигателей, приводящих в движение многие электромобили.
Разработанный в 1960-х годах самарий-кобальтовый сплав вошел в состав первых популярных изготовленных редкоземельных магнитов. Хотя они немного слабее магнитов NIB, самарий-кобальтовые магниты обладают превосходной устойчивостью к нагреву и коррозии. Это позволяет использовать их в высокоскоростных двигателях, генераторах, датчиках скорости в автомобилях и самолетах, а также в подвижных частях некоторых ракет с тепловым наведением. Самарий-кобальтовые магниты также составляют основу устройств, используемых для усиления сигналов, излучаемых большинством радиолокационных систем и спутников связи. Некоторые из этих редкоземельных усилителей сигналов передают данные с космического аппарата "Вояджер-1". Запущенный в сентябре 1977 года, этот аппарат является самым удаленным из созданных человеком объектов - он уже находится на расстоянии более 23 миллиардов километров от нас.
Сильные и надежные редкоземельные магниты лежат в основе многих "зеленых" технологий. Они используются в двигателях, трансмиссиях, гидроусилителях рулевого управления и многих других деталях, используемых в электромобилях. Использование компанией Tesla магнитов из неодимового сплава в своих самых дальнобойных автомобилях Model 3 вызвало опасения, что производителям магнитов скоро будет трудно получить достаточное количество неодима (который добывается в основном в Китае).
Редкоземельные магниты также заменяют коробки передач во многих морских ветровых турбинах. Они помогают повысить эффективность турбин и сократить их потребность в обслуживании. А в августе китайские инженеры представили "Rainbow", - это первая в мире железнодорожная линия с магнитной левитацией, в которой используются редкоземельные элементы. Магниты позволяют поездам парить над рельсами без потребления электроэнергии.
Редкоземельные элементы вскоре смогут способствовать развитию квантовых вычислений. Обычные компьютеры хранят и записывают данные в виде двоичных битов - 0 и 1. В квантовых компьютерах вместо этого используются квантовые биты. Называемые также кубитами, они могут занимать два состояния данных одновременно. По словам Чжун, кристаллы, содержащие редкоземельные ископаемые, являются хорошими квантовыми битами, поскольку их экранированные f-электроны могут хранить квантовые данные в течение длительных периодов времени. Однажды ученые смогут даже манипулировать светоизлучающими свойствами редкоземельных кубитов для обмена информацией между квантовыми компьютерами. Это может привести к появлению квантового интернета, говорит Чжун.
Пока еще рано предсказывать, как именно редкоземельные металлы будут способствовать развитию всех этих новых технологий. Но можно с уверенностью сказать: лучше бы редкоземельные металлы не были слишком редкими, поскольку нам их понадобится очень много.