Какое соединение называют «спиновым льдом», где велась «охота за монополем», что такое «гольм» и самый сильный парамагнетик.
Разбираем очередной редкоземельный металл гольмий (свойства, применение, перспективы, добыча, запасы, цены).
Свойства
Гольмий (Ho) – мягкий, пластичный, ковкий, нетоксичный редкоземельный металл ярко-серебристого цвета с температурой плавления 1474°С. Оксид гольмия имеет жёлто-коричневый цвет.
Был открыт 1878 году и получил своё название от латинского написания Стокгольма – родного города первооткрывателя («гольм» по-шведски - это остров).
В чистом виде достаточно стабилен в сухой среде и при комнатной температуре. Быстро окисляется при контакте с водой. При нагревании на воздухе загорается.
Обладает самой высокой магнитной проницаемостью среди всех химических элементов (способностью к созданию внутреннего магнитного поля под влиянием внешнего магнитного поля) и самым высоким магнитным моментом (силой и направлением притяжения под воздействием магнитного поля).
Применение
Уникальные магнитные свойства гольмия используются в аэрокосмической промышленности, научных исследованиях и электронике.
Когда нужно создать искусственное магнитное поле высокой интенсивности, то полюсные наконечники высокопрочных магнитов (концентраторы магнитного потока) изготавливают из гольмия.
Иногда его добавляют в постоянные магниты, используемые в электродвигателях, аппаратах МРТ и генераторах.
Также Ho востребован в качестве легирующей добавки в гранаты твердотельных медицинских лазеров. Это оборудование находит всё большее применение для разрушения камней в почках, удаления опухолей, проведения операций на глазах и стоматологических процедур.
Способность гольмия поглощать нейтроны используется в стержнях управления ядерными реакторами.
Оптические свойства некоторых соединений Ho (показатели преломления, прозрачность, спектры поглощения, флуоресценция) применяются в спектроскопии.
В случае если необходимо окрасить стекло или кубический цирконий в жёлтый или красный цвет также прибегают к помощи оксида гольмия.
Перспективы
Несмотря на относительно небольшое количество действующих коммерческих применений, учёные единодушно сходятся во мнении, что Ho является весьма перспективным металлом и его «звёздный час» ещё впереди.
В настоящее время исследования идут в следующих ключевых направлениях: разработка технологий хранения данных на основе магнитных свойств Ho, создание новых оптических устройств, применение гольмия в качестве катализатора, использование металла в топливных элементах и солнечных батареях.
Кроме того, гольмий (наряду с иттербием и другими элементами) активно исследуется в рамках программ по созданию квантового компьютера.
Добыча и запасы
По распространённости в земной коре гольмий занимает 56-е место. Его больше, чем молибдена, йода, сурьмы, ртути и серебра.
Правда, в силу высокой реакционной способности, Ho присутствует только в связанном виде. Его выделение (даже в виде оксида) требует весьма немалых затрат.
По данным U. S. Geological Survey оксид гольмия составляет крайне незначительную долю в добываемых редкоземельных металлах (РЗМ). В Индии – 0,02%, в Австралии – 0,03%, в России – 0,7% (менее 18 тонн). США не производят вообще.
Львиная доля мировой добычи (несколько десятков тонн) сосредоточена в Китае, лучшее месторождение которого выдаёт 2,6% от извлекаемых в нём РЗМ.
Мировые запасы оцениваются примерно в 400 тысяч тонн.
Международная торговля металлом практически отсутствует, и об устоявшейся равновесной цене говорить также не приходится.
Магнитный монополь
Всем известно, что магнит имеет два полюса. Даже если разрезать его на две части, обе они также станут двухполюсными (или диполями). Можно разделять дальше (вплоть до элементарных частиц), и всё равно будут диполи. Протон и электрон имеют разный электрический заряд, (то есть являются «электрическими монополями») но вот «магнитный заряд» у них нулевой.
Возможность существования однополюсного магнита (монополя) как минимум на уровне элементарной частицы теоретически обосновал нобелевский лауреат Поль Дирак (тот самый, который предсказал наличие позитрона).
Но если позитрон достаточно быстро подтвердили, то с магнитным монополем всё оказалось сложнее. Его искали в глубоких скважинах и на дне океанов, в лунном грунте и метеоритах, в верхних слоях атмосферы и космических лучах. Всё безрезультатно.
Наконец учёные решили создать его сами. И хотя эксперименты в Большом адронном коллайдере (БАК) пока не увенчались успехом, определённого результата всё же удалось достичь. Причём в другом месте.
Нечто похожее на монополь демонстрировали некоторые частицы, находящиеся в определённом состоянии (при сверхнизких температурах и наличии магнитного поля) внутри титаната гольмия, который за сходство ориентации магнитных моментов со структурой водяного льда нарекли «спиновым льдом».
Разумеется, полноценные монополи получить не удалось (к ним применяют термин «квазимонополи»). Северный не мог существовать без южного, да и расстояние между ними было менее нанометра.
А значит, скорее всего, придётся далее работать с БАК и более тщательно обследовать космическое пространство, например, «чёрные дыры».
Возникает резонный вопрос: а что мы получим в результате нахождения/создания магнитного монополя в практическом плане? Полного ответа на него дать пока нельзя. Но можно утверждать со всей определённостью, что практическое применение обязательно состоится. Вполне вероятно, это будут сверхпроводники, а может быть, сверхизоляторы. Высказываются даже осторожные предположения об антигравитационных устройствах.
Возможно, вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Если есть что добавить, пишите комментарий. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.