چگونه عناصر کمیاب زمین فناوری مدرن را ممکن می‌سازند

در اپرای فضایی فرانک هربرت با عنوان «تپه‌های شنی»، یک ماده طبیعی گرانبها به نام «مخلوط ادویه» به مردم توانایی پیمایش در کیهان وسیع را برای ایجاد تمدن بین ستاره‌ای می‌دهد. در زندگی واقعی روی زمین، گروهی از فلزات طبیعی به نام عناصر خاکی کمیاب، فناوری مدرن را ممکن ساخته‌اند. تقاضا برای این اجزای کلیدی تقریباً تمام محصولات الکترونیکی مدرن به شدت در حال افزایش است.

عناصر خاکی کمیابهزاران نیاز مختلف را برآورده می‌کند - برای مثال، سریم به عنوان کاتالیزور برای پالایش نفت استفاده می‌شود، در حالی کهگادولینیمنوترون‌ها را در راکتورهای هسته‌ای به دام می‌اندازد. اما برجسته‌ترین توانایی این عناصر در لومینسانس و مغناطیس آنها نهفته است.

ما برای رنگ‌آمیزی صفحه نمایش تلفن هوشمند خود، استفاده از فلورسانس برای نشان دادن اصالت اسکناس‌های یورو و انتقال سیگنال‌ها در کف دریا از طریق کابل‌های فیبر نوری به عناصر خاکی کمیاب متکی هستیم. آنها همچنین برای ساخت برخی از قوی‌ترین و قابل اعتمادترین آهنرباهای جهان ضروری هستند. آنها امواج صوتی را در هدفون شما تولید می‌کنند، اطلاعات دیجیتال را در فضا افزایش می‌دهند و مسیر موشک‌های جستجوگر حرارتی را تغییر می‌دهند. عناصر خاکی کمیاب همچنین در توسعه فناوری‌های سبز مانند انرژی باد و وسایل نقلیه الکتریکی نقش دارند و حتی ممکن است اجزای جدیدی از رایانه کوانتومی را تولید کنند. استفن بوید، شیمیدان مصنوعی و مشاور مستقل، گفت: «این فهرست بی‌پایان است. آنها همه جا هستند.»

خاک کمیاب به لانتانید لوتتیوم و ۱۴ عنصر بین لانتانیم و ... اشاره دارد.ایتریمکه اغلب در همان کانسار یافت می‌شوند و خواص شیمیایی مشابه لانتانیدها دارند. این فلزات خاکستری تا نقره‌ای رنگ معمولاً دارای خاصیت پلاستیسیته و نقاط ذوب و جوش بالایی هستند. قدرت مخفی آنها در الکترون‌هایشان نهفته است. همه اتم‌ها دارای هسته ای هستند که توسط الکترون‌ها احاطه شده است و در ناحیه‌ای به نام مدار قرار دارند. الکترون‌های موجود در مدار دورتر از هسته، الکترون‌های ظرفیت هستند که در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند و با سایر اتم‌ها پیوند تشکیل می‌دهند.

بیشتر لانتانیدها گروه مهم دیگری از الکترون‌ها به نام «الکترون‌های f» دارند که در ناحیه طلایی نزدیک الکترون ظرفیت اما کمی نزدیک به هسته قرار دارند. آنا د بتنکورت دیاس، شیمیدان معدنی در دانشگاه نوادا، رینو، گفت: «این الکترون‌های f هستند که باعث خواص مغناطیسی و لومینسانس عناصر خاکی کمیاب می‌شوند.»

عناصر خاکی کمیاب گروهی از ۱۷ عنصر هستند (که در جدول تناوبی با رنگ آبی مشخص شده‌اند). زیرمجموعه‌ای از عناصر خاکی کمیاب، لانتانیدها نامیده می‌شوند. (لوتتیم، لو، به علاوه خطی که به رهبریلانتانیم، لا). هر عنصر شامل یک پوسته است که معمولاً حاوی الکترون‌های f است و همین امر باعث می‌شود این عناصر خواص مغناطیسی و درخشندگی داشته باشند.