عنصر خاکی کمیاب جادویی: تربیوم

تربیوممتعلق به دسته سنگین استخاک های کمیاب، با فراوانی کم در پوسته زمین تنها 1.1 ppm. اکسید تربیوم کمتر از 0.01 درصد از کل خاک های کمیاب را تشکیل می دهد. حتی در سنگ معدن خاکی کمیاب سنگین نوع یون ایتریم بالا با بالاترین محتوای تربیوم، محتوای تربیوم تنها 1.1-1.2٪ از کل خاک کمیاب را تشکیل می دهد، که نشان می دهد که به دسته "نجیب" عناصر خاکی کمیاب تعلق دارد. برای بیش از 100 سال از زمان کشف تربیوم در سال 1843، کمیاب بودن و ارزش آن مانع از کاربرد عملی آن برای مدت طولانی شده است. تنها در 30 سال گذشته است که تربیوم استعداد منحصر به فرد خود را نشان داده است.

کشف تاریخ

شیمیدان سوئدی کارل گوستاف موساندر در سال 1843 تربیوم را کشف کرد. او ناخالصی های آن را دراکسید ایتریوم (III).وY2O3. ایتریوم از نام روستای ایتربی در سوئد گرفته شده است. قبل از ظهور فناوری تبادل یونی، تربیوم به شکل خالص خود جدا نمی شد.

موسانت برای اولین بار اکسید ایتریوم (III) را به سه قسمت تقسیم کرد که نام همه آنها از سنگ معدن است: اکسید ایتریوم (III).اکسید اربیوم (III).و اکسید تربیوم. اکسید تربیوم در ابتدا از یک قسمت صورتی تشکیل شده بود که به دلیل عنصری است که امروزه به نام اربیوم شناخته می شود. "اکسید اربیوم (III)" (از جمله آنچه که ما اکنون تربیوم می نامیم) در اصل قسمت اصلی بی رنگ در محلول بود. اکسید نامحلول این عنصر قهوه ای در نظر گرفته می شود.

کارگران بعدی به سختی توانستند "اکسید اربیوم (III)" بی رنگ کوچک را مشاهده کنند، اما قسمت صورتی محلول را نمی توان نادیده گرفت. بحث در مورد وجود اکسید اربیوم (III) بارها و بارها مطرح شده است. در هرج و مرج، نام اصلی برعکس شد و اسامی رد و بدل شد، بنابراین قسمت صورتی در نهایت به عنوان محلولی حاوی اربیوم (در محلول، صورتی بود) ذکر شد. اکنون اعتقاد بر این است که کارگرانی که از بی سولفات سدیم یا سولفات پتاسیم استفاده می کنند، مصرف می کننداکسید سریم (IV)از اکسید ایتریوم (III) خارج می شود و تربیوم را ناخواسته به رسوبی حاوی سریم تبدیل می کند. تنها حدود 1 درصد از اکسید ایتریوم (III) اصلی، که اکنون به عنوان "تربیوم" شناخته می شود، برای انتقال رنگ مایل به زرد به اکسید ایتریوم (III) کافی است. بنابراین، تربیوم یک جزء ثانویه است که در ابتدا حاوی آن بود و توسط همسایگان نزدیک خود، گادولینیوم و دیسپروزیم کنترل می شود.

پس از آن، هرگاه عناصر خاکی کمیاب دیگر از این مخلوط جدا می‌شد، بدون توجه به نسبت اکسید، نام تربیوم باقی می‌ماند تا در نهایت اکسید قهوه‌ای تربیوم به صورت خالص به دست می‌آید. محققان در قرن نوزدهم از فناوری فلورسانس فرابنفش برای مشاهده گره‌های زرد یا سبز روشن (III) استفاده نکردند، که تشخیص تربیوم را در مخلوط‌ها یا محلول‌های جامد آسان‌تر می‌کرد.
پیکربندی الکترون

پیکربندی الکترون:

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

پیکربندی الکترونی تربیوم [Xe] 6s24f9 است. به طور معمول، تنها سه الکترون را می‌توان حذف کرد قبل از اینکه بار هسته‌ای بیش از حد بزرگ شود که یونیزه شود، اما در مورد تربیوم، تربیوم نیمه پر به الکترون چهارم اجازه می‌دهد تا در حضور اکسیدان‌های بسیار قوی مانند گاز فلوئور یونیزه شود.

فلز تربیوم

تربیوم یک فلز خاکی کمیاب به رنگ سفید نقره ای با شکل پذیری، چقرمگی و نرمی است که می توان آن را با چاقو برش داد. نقطه ذوب 1360 ℃، نقطه جوش 3123 ℃، چگالی 8229 4kg/m3. در مقایسه با لانتانید اولیه، در هوا نسبتاً پایدار است. تربیم به عنوان نهمین عنصر لانتانید، فلزی با الکتریسیته قوی است. با آب واکنش می دهد و هیدروژن تشکیل می دهد.

در طبیعت، تربیوم هرگز به عنوان یک عنصر آزاد یافت نشده است، مقدار کمی از آن در ماسه فسفوسریوم توریم و گادولینیت وجود دارد. تربیوم با سایر عناصر خاکی کمیاب در ماسه مونازیت، با محتوای تربیوم به طور کلی 0.03٪ وجود دارد. منابع دیگر Xenotime و سنگ‌های معدنی طلای کمیاب سیاه هستند که هر دو مخلوطی از اکسید هستند و تا 1% تربیوم دارند.

برنامه

کاربرد تربیوم عمدتاً شامل زمینه‌های با فناوری پیشرفته است که پروژه‌های پیشرفته فناوری فشرده و دانش‌بر و همچنین پروژه‌هایی با مزایای اقتصادی قابل توجه و چشم‌انداز توسعه جذاب هستند.

زمینه های کاربردی اصلی عبارتند از:

(1) به شکل خاک های کمیاب مخلوط استفاده می شود. به عنوان مثال، به عنوان کود ترکیبی خاکی کمیاب و افزودنی خوراک برای کشاورزی استفاده می شود.

(2) فعال کننده پودر سبز در سه پودر فلورسنت اولیه. مواد نوری مدرن نیاز به استفاده از سه رنگ اصلی فسفر یعنی قرمز، سبز و آبی دارند که می توان از آنها برای سنتز رنگ های مختلف استفاده کرد. و تربیوم یک جزء ضروری در بسیاری از پودرهای فلورسنت سبز با کیفیت بالا است.

(3) به عنوان یک ماده ذخیره سازی نوری مغناطیسی استفاده می شود. لایه‌های نازک آلیاژ فلز واسطه تربیوم فلزی آمورف برای تولید دیسک‌های مغناطیسی نوری با کارایی بالا استفاده شده‌اند.

(4) ساخت شیشه نوری مغناطیسی. شیشه چرخشی فارادی حاوی تربیوم یک ماده کلیدی برای ساخت روتاتورها، جداسازها و سیرکولاتورها در فناوری لیزر است.

(5) توسعه و توسعه آلیاژ فرو مغناطیسی تربیوم دیسپروزیم (TerFenol) کاربردهای جدیدی را برای تربیوم باز کرده است.

برای کشاورزی و دامپروری

تربیوم خاکی کمیاب می تواند کیفیت محصولات را بهبود بخشد و سرعت فتوسنتز را در محدوده غلظت خاصی افزایش دهد. کمپلکس های تربیوم فعالیت بیولوژیکی بالایی دارند. کمپلکس های سه تایی تربیوم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O، اثرات ضد باکتریایی و باکتری کش خوبی بر روی استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس و اشریشیا کلی دارند. آنها طیف گسترده ای از آنتی باکتریال دارند. مطالعه چنین مجتمع هایی یک جهت تحقیقاتی جدید برای داروهای ضد باکتری مدرن ارائه می دهد.

در زمینه لومینسانس استفاده می شود

مواد نوری مدرن نیاز به استفاده از سه رنگ اصلی فسفر یعنی قرمز، سبز و آبی دارند که می توان از آنها برای سنتز رنگ های مختلف استفاده کرد. و تربیوم یک جزء ضروری در بسیاری از پودرهای فلورسنت سبز با کیفیت بالا است. اگر تولد پودر فلورسنت قرمز تلویزیون رنگی خاکی کمیاب تقاضا برای ایتریوم و یوروپیوم را تحریک کرده باشد، پس کاربرد و توسعه تربیوم توسط پودر فلورسنت سبز سه رنگ اصلی خاکی کمیاب برای لامپ ها ترویج شده است. در اوایل دهه 1980، فیلیپس اولین لامپ فلورسنت کم مصرف در جهان را اختراع کرد و به سرعت آن را در سطح جهانی معرفی کرد. یون های Tb3+ می توانند نور سبز با طول موج 545 نانومتر ساطع کنند و تقریباً تمام فسفرهای سبز خاکی کمیاب از تربیوم به عنوان فعال کننده استفاده می کنند.

فسفر سبز برای لوله اشعه کاتدی تلویزیون رنگی (CRT) همیشه بر پایه سولفید روی بوده است که ارزان و کارآمد است، اما پودر تربیوم همیشه به عنوان فسفر سبز برای تلویزیون رنگی نمایش داده می شود، از جمله Y2SiO5 ∶ Tb3+، Y3 ( Al، Ga) 5O12 ∶ Tb3+ و LaOBr ∶ Tb3+. با توسعه تلویزیون با وضوح بالا با صفحه نمایش بزرگ (HDTV)، پودرهای فلورسنت سبز با کارایی بالا برای CRT نیز در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، یک پودر فلورسنت سبز ترکیبی در خارج از کشور تولید شده است که شامل Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، LaOCl: Tb3+، و Y2SiO5: Tb3+ است که دارای راندمان لومینسانس عالی در چگالی جریان بالا هستند.

پودر فلورسنت اشعه ایکس سنتی تنگستات کلسیم است. در دهه‌های 1970 و 1980، فسفرهای خاکی کمیاب برای تشدید صفحه‌نمایش، مانند اکسید لانتانوم با گوگرد فعال شده با تربیوم، اکسید لانتانوم فعال شده با تربیوم (برای نمایشگرهای سبز)، گوگرد فعال شده با تربیوم، اکسید یتریوم (III) و غیره. زمین کمیاب پودر فلورسنت می تواند زمان تابش اشعه ایکس را برای بیماران تا 80٪ کاهش دهد، وضوح فیلم های اشعه ایکس را بهبود بخشد، طول عمر لوله های اشعه ایکس را افزایش دهد و مصرف انرژی را کاهش دهد. تربیوم همچنین به عنوان یک فعال کننده پودر فلورسنت برای صفحه نمایش های تقویت کننده اشعه ایکس پزشکی استفاده می شود که می تواند حساسیت تبدیل اشعه ایکس به تصاویر نوری را تا حد زیادی بهبود بخشد، وضوح فیلم های اشعه ایکس را بهبود بخشد و دوز نوردهی اشعه ایکس را تا حد زیادی کاهش دهد. اشعه به بدن انسان (بیش از 50٪).

تربیوم همچنین به عنوان یک فعال کننده در فسفر LED سفید برانگیخته شده توسط نور آبی برای روشنایی نیمه هادی جدید استفاده می شود. می توان از آن برای تولید فسفرهای کریستال نوری مگنتو آلومینیوم تربیوم با استفاده از دیودهای ساطع کننده نور آبی به عنوان منابع نور تحریک استفاده کرد و فلورسانس تولید شده با نور تحریک مخلوط می شود تا نور سفید خالص تولید شود.

مواد الکترولومینسانس ساخته شده از تربیوم عمدتا شامل فسفر سبز سولفید روی با تربیوم به عنوان فعال کننده است. تحت تابش فرابنفش، کمپلکس‌های آلی تربیوم می‌توانند فلورسانس سبز قوی منتشر کنند و می‌توانند به عنوان مواد الکترولومینسانس فیلم نازک استفاده شوند. اگرچه پیشرفت قابل توجهی در مطالعه لایه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب حاصل شده است، هنوز فاصله خاصی از عملی بودن وجود دارد و تحقیقات در مورد فیلم‌ها و دستگاه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب هنوز در عمق است.

ویژگی های فلورسانس تربیوم نیز به عنوان پروب فلورسانس استفاده می شود. به عنوان مثال، کاوشگر فلورسانس افلوکساسین تربیوم (Tb3+) برای مطالعه برهمکنش بین کمپلکس افلوکساسین تربیوم (Tb3+) و DNA (DNA) توسط طیف فلورسانس و طیف جذبی استفاده شد، که نشان می‌دهد که پروب افلوکساسین Tb3 می‌تواند یک مولکوول شیار با DNA ایجاد کند. و DNA می تواند به طور قابل توجهی فلورسانس را افزایش دهد سیستم افلوکساسین Tb3+. بر اساس این تغییر می توان DNA را تعیین کرد.

برای مواد نوری مغناطیسی

مواد با اثر فارادی که به عنوان مواد مغناطیسی نوری نیز شناخته می شوند، به طور گسترده در لیزرها و سایر دستگاه های نوری استفاده می شوند. دو نوع متداول از مواد نوری مغناطیسی وجود دارد: کریستال های نوری مغناطیسی و شیشه های نوری مغناطیسی. در میان آنها، کریستال های مغناطیسی نوری (مانند گارنت آهن ایتریوم و گارنت گالیوم تربیوم) دارای مزایای فرکانس کاری قابل تنظیم و پایداری حرارتی بالا هستند، اما ساخت آنها گران و دشوار است. علاوه بر این، بسیاری از کریستال های مغناطیسی نوری با زاویه چرخش فارادی بالا، جذب بالایی در محدوده موج کوتاه دارند که استفاده از آنها را محدود می کند. در مقایسه با کریستال های نوری مغناطیسی، شیشه نوری مغناطیسی دارای مزیت گذرندگی بالا است و به راحتی به بلوک ها یا الیاف بزرگ تبدیل می شود. در حال حاضر، عینک‌های مغناطیسی نوری با اثر فارادی بالا، عمدتاً عینک‌های دوپینگ با یون خاکی کمیاب هستند.

برای مواد ذخیره سازی نوری مغناطیسی استفاده می شود

در سال های اخیر، با توسعه سریع اتوماسیون اداری و چند رسانه ای، تقاضا برای دیسک های مغناطیسی جدید با ظرفیت بالا افزایش یافته است. فیلم‌های آلیاژ فلز واسطه تربیوم فلزی آمورف برای تولید دیسک‌های مغناطیسی نوری با کارایی بالا استفاده شده‌اند. در این میان فیلم نازک آلیاژی TbFeCo بهترین عملکرد را دارد. مواد مغناطیسی نوری مبتنی بر تربیوم در مقیاس بزرگ تولید شده اند و دیسک های مغناطیسی نوری ساخته شده از آنها به عنوان اجزای ذخیره سازی رایانه استفاده می شود که ظرفیت ذخیره سازی 10-15 برابر افزایش یافته است. آنها از مزایای ظرفیت زیاد و سرعت دسترسی سریع برخوردارند و می توان ده ها هزار بار در هنگام استفاده برای دیسک های نوری با چگالی بالا پاک و روکش کرد. آنها مواد مهمی در فناوری ذخیره سازی اطلاعات الکترونیکی هستند. متداول ترین ماده مغناطیسی نوری مورد استفاده در باندهای مرئی و نزدیک به فروسرخ، تک کریستال تربیوم گالیوم گارنت (TGG) است که بهترین ماده مغناطیسی نوری برای ساخت روتاتورها و جداکننده های فارادی است.

برای شیشه نوری مغناطیسی

شیشه نوری مغناطیسی فارادی شفافیت و همسانگردی خوبی در نواحی مرئی و مادون قرمز دارد و می تواند اشکال پیچیده مختلفی را تشکیل دهد. تولید محصولات با اندازه بزرگ آسان است و می توان آن را به فیبرهای نوری کشید. بنابراین، چشم‌اندازهای کاربردی گسترده‌ای در دستگاه‌های نوری مغناطیسی مانند جداکننده‌های نوری مغناطیسی، مدولاتورهای نوری مغناطیسی و حسگرهای جریان فیبر نوری دارد. با توجه به گشتاور مغناطیسی بزرگ و ضریب جذب کوچک آن در محدوده مرئی و مادون قرمز، یون‌های Tb3+ به یون‌های خاکی کمیاب در عینک‌های نوری مغناطیسی تبدیل شده‌اند.

آلیاژ فرو مغناطیسی تربیوم دیسپروزیم

در پایان قرن بیستم، با تعمیق انقلاب علمی و فناوری جهانی، مواد کاربردی جدید خاکی کمیاب به سرعت در حال ظهور هستند. در سال 1984، دانشگاه ایالتی آیووا ایالات متحده، آزمایشگاه ایمز از وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا و مرکز تحقیقات تسلیحات سطحی نیروی دریایی ایالات متحده (پرسنل اصلی شرکت آمریکایی Edge Technology (ET REMA) که بعداً تأسیس شد، از مرکز) به طور مشترک یک ماده هوشمند خاکی کمیاب جدید، به نام ماده مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم را توسعه دادند. این ماده هوشمند جدید دارای ویژگی های عالی تبدیل سریع انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. مبدل های زیر آب و الکتروآکوستیک ساخته شده از این ماده مغناطیسی غول پیکر با موفقیت در تجهیزات دریایی، بلندگوهای تشخیص چاه نفت، سیستم های کنترل نویز و لرزش، و اکتشاف اقیانوس و سیستم های ارتباطی زیرزمینی پیکربندی شده اند. بنابراین، به محض اینکه ماده مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم متولد شد، مورد توجه گسترده کشورهای صنعتی در سراسر جهان قرار گرفت. Edge Technologies در ایالات متحده در سال 1989 شروع به تولید مواد مغناطیس گیر غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم کرد و آنها را ترفنول D نامید. متعاقباً سوئد، ژاپن، روسیه، بریتانیا و استرالیا نیز مواد مغناطیسی گیر غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم را توسعه دادند.

از تاریخچه توسعه این ماده در ایالات متحده، هم اختراع مواد و هم کاربردهای اولیه انحصاری آن به طور مستقیم با صنایع نظامی (مانند نیروی دریایی) مرتبط است. اگرچه ادارات نظامی و دفاعی چین به تدریج درک خود را از این مواد تقویت می کنند. با این حال، پس از افزایش چشمگیر قدرت جامع ملی چین، الزامات تحقق استراتژی رقابتی نظامی در قرن بیست و یکم و بهبود سطح تجهیزات قطعاً بسیار ضروری خواهد بود. بنابراین، استفاده گسترده از مواد مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر آهن تربیوم دیسپروزیم توسط ادارات نظامی و دفاع ملی یک ضرورت تاریخی خواهد بود.

به طور خلاصه، خواص بسیار عالی تربیوم آن را به عضوی ضروری در بسیاری از مواد کاربردی و جایگاهی غیرقابل جایگزین در برخی زمینه های کاربردی تبدیل می کند. با این حال، به دلیل قیمت بالای تربیوم، مردم در حال بررسی چگونگی اجتناب و به حداقل رساندن استفاده از تربیوم به منظور کاهش هزینه های تولید بوده اند. به عنوان مثال، مواد مغناطیسی نوری خاکی کمیاب نیز باید تا حد امکان از کبالت آهن دیسپروزیوم ارزان قیمت یا کبالت گادولینیم تربیوم استفاده کنند. سعی کنید محتوای تربیوم را در پودر فلورسنت سبزی که باید استفاده کنید کاهش دهید. قیمت به یک عامل مهم محدود کننده استفاده گسترده از تربیوم تبدیل شده است. اما بسیاری از مواد کاربردی بدون آن نمی توانند کار کنند، بنابراین ما باید به اصل "استفاده از فولاد خوب روی تیغه" پایبند باشیم و سعی کنیم تا حد امکان از استفاده از تربیوم صرفه جویی کنیم.