عنصر جادویی کمیاب زمین: تربیم

تربیممتعلق به دسته سنگین استعناصر خاکی کمیاببا فراوانی کم در پوسته زمین، تنها ۱.۱ ppm. اکسید تربیم کمتر از ۰.۰۱٪ از کل عناصر خاکی کمیاب را تشکیل می‌دهد. حتی در سنگ معدن خاکی کمیاب سنگین از نوع یون ایتریم بالا با بالاترین مقدار تربیم، مقدار تربیم تنها ۱.۱ تا ۱.۲٪ از کل عناصر خاکی کمیاب را تشکیل می‌دهد که نشان می‌دهد این عنصر به دسته "نجیب" عناصر خاکی کمیاب تعلق دارد. بیش از ۱۰۰ سال از زمان کشف تربیم در سال ۱۸۴۳، کمبود و ارزش آن مانع از کاربرد عملی آن برای مدت طولانی شده است. تنها در ۳۰ سال گذشته است که تربیم استعداد منحصر به فرد خود را نشان داده است.

کشف تاریخ

شیمیدان سوئدی، کارل گوستاف موساندر، تربیم را در سال ۱۸۴۳ کشف کرد. او ناخالصی‌های آن را در ... یافت.اکسید ایتریم(III)وY2O3ایتریم به نام روستای ایتربی در سوئد نامگذاری شده است. قبل از ظهور فناوری تبادل یونی، تربیم به شکل خالص خود جدا نشده بود.

موسانت ابتدا اکسید ایتریوم (III) را به سه بخش تقسیم کرد که هر سه بر اساس سنگ معدن نامگذاری شدند: اکسید ایتریوم (III)،اکسید اربیم(III)و اکسید تربیم. اکسید تربیم در ابتدا از یک بخش صورتی تشکیل شده بود، به دلیل عنصری که اکنون به عنوان اربیم شناخته می‌شود. «اکسید اربیم (III)» (از جمله آنچه که اکنون تربیم می‌نامیم) در ابتدا بخش اساساً بی‌رنگ در محلول بود. اکسید نامحلول این عنصر قهوه‌ای در نظر گرفته می‌شود.

کارگران بعدی به سختی می‌توانستند «اکسید اربیم (III)» ریز و بی‌رنگ را مشاهده کنند، اما بخش صورتی محلول را نمی‌توانستند نادیده بگیرند. بحث‌ها در مورد وجود اکسید اربیم (III) بارها و بارها مطرح شده است. در این هرج و مرج، نام اصلی معکوس شد و تبادل نام‌ها متوقف شد، بنابراین بخش صورتی در نهایت به عنوان محلولی حاوی اربیم ذکر شد (در محلول، صورتی بود). اکنون اعتقاد بر این است که کارگرانی که از بی‌سولفات سدیم یا سولفات پتاسیم استفاده می‌کنند،اکسید سریم(IV)از اکسید ایتریم (III) خارج شده و ناخواسته تربیم را به رسوبی حاوی سریم تبدیل می‌کند. تنها حدود ۱٪ از اکسید ایتریم (III) اصلی، که اکنون با نام «تربیم» شناخته می‌شود، برای ایجاد رنگ زرد مایل به زرد در اکسید ایتریم (III) کافی است. بنابراین، تربیم یک جزء ثانویه است که در ابتدا حاوی آن بوده و توسط همسایگان نزدیک خود، گادولینیوم و دیسپروزیم، کنترل می‌شود.

پس از آن، هر زمان که سایر عناصر خاکی کمیاب از این مخلوط جدا می‌شدند، صرف نظر از نسبت اکسید، نام تربیم حفظ می‌شد تا اینکه سرانجام، اکسید قهوه‌ای تربیم به شکل خالص به دست آمد. محققان در قرن نوزدهم از فناوری فلورسانس فرابنفش برای مشاهده گره‌های زرد یا سبز روشن (III) استفاده نمی‌کردند و این امر تشخیص تربیم را در مخلوط‌ها یا محلول‌های جامد آسان‌تر می‌کرد.
پیکربندی الکترونی

پیکربندی الکترونی:

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

آرایش الکترونی تربیم [Xe] 6s24f9 است. معمولاً فقط سه الکترون می‌توانند قبل از اینکه بار هسته برای یونیزه شدن بیشتر خیلی زیاد شود، جدا شوند، اما در مورد تربیم، تربیم نیمه‌پر اجازه می‌دهد تا الکترون چهارم در حضور اکسیدان‌های بسیار قوی مانند گاز فلوئور بیشتر یونیزه شود.

فلز تربیم

تربیم یک فلز خاکی کمیاب به رنگ سفید نقره‌ای با قابلیت شکل‌پذیری، چقرمگی و نرمی است که می‌توان آن را با چاقو برید. نقطه ذوب ۱۳۶۰ درجه سانتیگراد، نقطه جوش ۳۱۲۳ درجه سانتیگراد، چگالی ۸۲۲۹ کیلوگرم بر متر مکعب. در مقایسه با لانتانیدهای اولیه، در هوا نسبتاً پایدار است. تربیم به عنوان نهمین عنصر لانتانیدها، فلزی با الکتریسیته قوی است. با آب واکنش می‌دهد و هیدروژن تشکیل می‌دهد.

در طبیعت، تربیم هرگز به صورت عنصر آزاد یافت نشده است، مقدار کمی از آن در ماسه فسفوسریم توریم و گادولینیت وجود دارد. تربیم با سایر عناصر خاکی کمیاب در ماسه مونازیت همزیستی دارد و عموماً 0.03٪ تربیم دارد. منابع دیگر عبارتند از زینوتایم و سنگ معدن طلای کمیاب سیاه که هر دو مخلوطی از اکسیدها هستند و تا 1٪ تربیم دارند.

کاربرد

کاربرد تربیم عمدتاً شامل حوزه‌های فناوری پیشرفته است که پروژه‌های پیشرفته و دانش‌محور هستند و همچنین پروژه‌هایی با مزایای اقتصادی قابل توجه و چشم‌انداز توسعه جذاب.

زمینه‌های اصلی کاربرد شامل موارد زیر است:

(1) به شکل مخلوط عناصر کمیاب خاکی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، به عنوان کود ترکیبی عناصر کمیاب خاکی و افزودنی خوراک دام برای کشاورزی استفاده می‌شود.

(2) فعال‌کننده برای پودر سبز در سه پودر فلورسنت اولیه. مواد اپتوالکترونیکی مدرن نیاز به استفاده از سه رنگ اصلی فسفر، یعنی قرمز، سبز و آبی دارند که می‌توانند برای سنتز رنگ‌های مختلف استفاده شوند. و تربیم یک جزء ضروری در بسیاری از پودرهای فلورسنت سبز با کیفیت بالا است.

(3) به عنوان ماده ذخیره سازی مغناطیسی-نوری استفاده می‌شود. لایه‌های نازک آلیاژ فلزات واسطه تربیم از جنس فلز آمورف برای ساخت دیسک‌های مغناطیسی-نوری با کارایی بالا استفاده شده‌اند.

(4) ساخت شیشه مغناطیسی-اپتیکی. شیشه چرخشی فارادی حاوی تربیم، ماده‌ای کلیدی برای ساخت چرخاننده‌ها، ایزولاتورها و سیرکولاتورها در فناوری لیزر است.

(5) توسعه و پیشرفت آلیاژ فرومغناطیس-تنگش تربیم دیسپروزیم (TerFenol) کاربردهای جدیدی را برای تربیم گشوده است.

برای کشاورزی و دامداری

تربیم عنصر کمیاب می‌تواند کیفیت محصولات کشاورزی را بهبود بخشد و سرعت فتوسنتز را در محدوده غلظتی خاصی افزایش دهد. کمپلکس‌های تربیم فعالیت بیولوژیکی بالایی دارند. کمپلکس‌های سه‌تایی تربیم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O، اثرات ضد باکتری و باکتری‌کشی خوبی بر روی استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس و اشریشیا کلی دارند. آنها طیف ضد باکتری وسیعی دارند. مطالعه چنین کمپلکس‌هایی، جهت تحقیقاتی جدیدی را برای داروهای باکتری‌کش مدرن فراهم می‌کند.

در زمینه لومینسانس استفاده می‌شود

مواد اپتوالکترونیکی مدرن نیاز به استفاده از سه رنگ اصلی فسفر، یعنی قرمز، سبز و آبی دارند که می‌توانند برای سنتز رنگ‌های مختلف استفاده شوند. و تربیم یک جزء ضروری در بسیاری از پودرهای فلورسنت سبز با کیفیت بالا است. اگر تولد پودر فلورسنت قرمز تلویزیون رنگی خاکی کمیاب، تقاضا برای ایتریم و یوروپیم را برانگیخته است، پس کاربرد و توسعه تربیم توسط پودر فلورسنت سبز سه رنگ اصلی خاکی کمیاب برای لامپ‌ها ارتقا یافته است. در اوایل دهه 1980، فیلیپس اولین لامپ فلورسنت کم مصرف جمع و جور جهان را اختراع کرد و به سرعت آن را در سطح جهانی تبلیغ کرد. یون‌های Tb3+ می‌توانند نور سبز با طول موج 545 نانومتر ساطع کنند و تقریباً همه فسفرهای سبز خاکی کمیاب از تربیم به عنوان فعال کننده استفاده می‌کنند.

فسفر سبز برای لامپ پرتو کاتدی تلویزیون رنگی (CRT) همیشه بر پایه سولفید روی بوده است که ارزان و کارآمد است، اما پودر تربیم همیشه به عنوان فسفر سبز برای تلویزیون رنگی پروژکتوری استفاده شده است، از جمله Y2SiO5 ∶ Tb3+، Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ و LaOBr ∶ Tb3+. با توسعه تلویزیون‌های صفحه بزرگ با کیفیت بالا (HDTV)، پودرهای فلورسنت سبز با کارایی بالا برای CRT ها نیز در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، یک پودر فلورسنت سبز هیبریدی در خارج از کشور توسعه یافته است که شامل Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، LaOCl: Tb3+ و Y2SiO5: Tb3+ است که در چگالی جریان بالا، راندمان لومینسانس عالی دارند.

پودر فلورسنت اشعه ایکس سنتی، تنگستات کلسیم است. در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، فسفرهای عناصر کمیاب برای صفحات تشدیدکننده، مانند اکسید لانتانیم گوگرد فعال شده با تربیم، اکسید لانتانیم برم فعال شده با تربیم (برای صفحات سبز)، اکسید ایتریم(III) گوگرد فعال شده با تربیم و غیره، توسعه یافتند. در مقایسه با تنگستات کلسیم، پودر فلورسنت عناصر کمیاب می‌تواند زمان تابش اشعه ایکس را برای بیماران تا ۸۰٪ کاهش دهد، وضوح فیلم‌های اشعه ایکس را بهبود بخشد، طول عمر لامپ‌های اشعه ایکس را افزایش دهد و مصرف انرژی را کاهش دهد. تربیم همچنین به عنوان یک فعال‌کننده پودر فلورسنت برای صفحات تقویت اشعه ایکس پزشکی استفاده می‌شود که می‌تواند حساسیت تبدیل اشعه ایکس به تصاویر نوری را تا حد زیادی بهبود بخشد، وضوح فیلم‌های اشعه ایکس را بهبود بخشد و دوز تابش اشعه ایکس به بدن انسان را تا حد زیادی (بیش از ۵۰٪) کاهش دهد.

تربیم همچنین به عنوان فعال‌کننده در فسفر LED سفید برانگیخته شده توسط نور آبی برای روشنایی نیمه‌هادی جدید استفاده می‌شود. می‌توان از آن برای تولید فسفرهای کریستال نوری مغناطیسی آلومینیوم تربیم استفاده کرد، که در آن از دیودهای ساطع کننده نور آبی به عنوان منابع نور تحریک استفاده می‌شود و فلورسانس تولید شده با نور تحریک مخلوط می‌شود تا نور سفید خالص تولید شود.

مواد الکترولومینسانس ساخته شده از تربیم عمدتاً شامل فسفر سبز سولفید روی با تربیم به عنوان فعال کننده هستند. تحت تابش فرابنفش، کمپلکس‌های آلی تربیم می‌توانند فلورسانس سبز قوی منتشر کنند و می‌توانند به عنوان مواد الکترولومینسانس لایه نازک استفاده شوند. اگرچه پیشرفت‌های قابل توجهی در مطالعه لایه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب حاصل شده است، اما هنوز فاصله مشخصی با عملی بودن وجود دارد و تحقیقات در مورد لایه‌ها و دستگاه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب هنوز در حال انجام است.

ویژگی‌های فلورسانس تربیم نیز به عنوان کاوشگرهای فلورسانس استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، از کاوشگر فلورسانس افلوکساسین تربیم (Tb3+) برای مطالعه برهمکنش بین کمپلکس افلوکساسین تربیم (Tb3+) و DNA (DNA) توسط طیف فلورسانس و طیف جذبی استفاده شد، که نشان می‌دهد کاوشگر افلوکساسین Tb3+ می‌تواند با مولکول‌های DNA اتصال شیاری تشکیل دهد و DNA می‌تواند فلورسانس سیستم افلوکساسین Tb3+ را به طور قابل توجهی افزایش دهد. بر اساس این تغییر، می‌توان DNA را تعیین کرد.

برای مواد مغناطیسی-نوری

موادی با اثر فارادی، که به عنوان مواد مغناطیسی-نوری نیز شناخته می‌شوند، به طور گسترده در لیزرها و سایر دستگاه‌های نوری استفاده می‌شوند. دو نوع رایج از مواد مغناطیسی-نوری وجود دارد: کریستال‌های مغناطیسی-نوری و شیشه مغناطیسی-نوری. در میان آنها، کریستال‌های مغناطیسی-نوری (مانند گارنت آهن ایتریوم و گارنت گالیوم تربیم) مزایای فرکانس کاری قابل تنظیم و پایداری حرارتی بالا را دارند، اما گران و ساخت آنها دشوار است. علاوه بر این، بسیاری از کریستال‌های مغناطیسی-نوری با زاویه چرخش فارادی بالا، جذب بالایی در محدوده موج کوتاه دارند که استفاده از آنها را محدود می‌کند. در مقایسه با کریستال‌های مغناطیسی-نوری، شیشه مغناطیسی-نوری مزیت عبور بالا را دارد و به راحتی می‌توان آن را به بلوک‌های بزرگ یا فیبر تبدیل کرد. در حال حاضر، شیشه‌های مغناطیسی-نوری با اثر فارادی بالا، عمدتاً شیشه‌های آلاییده شده با یون‌های خاکی کمیاب هستند.

برای مواد ذخیره‌سازی مغناطیسی-نوری استفاده می‌شود

در سال‌های اخیر، با توسعه سریع چندرسانه‌ای و اتوماسیون اداری، تقاضا برای دیسک‌های مغناطیسی جدید با ظرفیت بالا رو به افزایش بوده است. از فیلم‌های آلیاژ فلزات واسطه تربیم آمورف برای ساخت دیسک‌های مغناطیسی-نوری با کارایی بالا استفاده شده است. در میان آنها، فیلم نازک آلیاژ TbFeCo بهترین عملکرد را دارد. مواد مغناطیسی-نوری مبتنی بر تربیم در مقیاس بزرگ تولید شده‌اند و دیسک‌های مغناطیسی-نوری ساخته شده از آنها به عنوان اجزای ذخیره‌سازی کامپیوتر استفاده می‌شوند، با ظرفیت ذخیره‌سازی 10 تا 15 برابر افزایش یافته است. آنها از مزایای ظرفیت زیاد و سرعت دسترسی سریع برخوردارند و در صورت استفاده برای دیسک‌های نوری با چگالی بالا، می‌توانند ده‌ها هزار بار پاک و پوشش داده شوند. آنها مواد مهمی در فناوری ذخیره‌سازی اطلاعات الکترونیکی هستند. رایج‌ترین ماده مغناطیسی-نوری مورد استفاده در باندهای مرئی و نزدیک به مادون قرمز، تک بلور تربیم گالیوم گارنت (TGG) است که بهترین ماده مغناطیسی-نوری برای ساخت چرخاننده‌ها و ایزولاتورهای فارادی است.

برای شیشه‌های نوری مغناطیسی

شیشه نوری مغناطیسی فارادی شفافیت و ایزوتروپی خوبی در نواحی مرئی و مادون قرمز دارد و می‌تواند اشکال پیچیده مختلفی را تشکیل دهد. تولید محصولات با اندازه بزرگ با آن آسان است و می‌توان آن را به فیبرهای نوری تبدیل کرد. بنابراین، چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در دستگاه‌های نوری مغناطیسی مانند ایزولاتورهای نوری مغناطیسی، مدولاتورهای نوری مغناطیسی و حسگرهای جریان فیبر نوری دارد. یون‌های Tb3+ به دلیل گشتاور مغناطیسی بزرگ و ضریب جذب کوچک در محدوده مرئی و مادون قرمز، به یون‌های خاکی کمیاب رایج در شیشه‌های نوری مغناطیسی تبدیل شده‌اند.

آلیاژ فرومغناطیس-تنگش تربیم دیسپروزیم

در پایان قرن بیستم، با عمیق‌تر شدن انقلاب علمی و فناوری جهان، مواد کاربردی جدید عناصر خاکی کمیاب به سرعت در حال ظهور هستند. در سال ۱۹۸۴، دانشگاه ایالتی آیووا در ایالات متحده، آزمایشگاه ایمز وزارت انرژی ایالات متحده و مرکز تحقیقات سلاح‌های سطحی نیروی دریایی ایالات متحده (پرسنل اصلی شرکت فناوری لبه آمریکایی (ET REMA) که بعداً تأسیس شد) به طور مشترک یک ماده هوشمند جدید عناصر خاکی کمیاب، یعنی ماده مغناطیسی غول‌پیکر آهن تربیم دیسپروزیوم را توسعه دادند. این ماده هوشمند جدید دارای ویژگی‌های عالی تبدیل سریع انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. مبدل‌های زیر آب و الکتروآکوستیک ساخته شده از این ماده مغناطیسی غول‌پیکر با موفقیت در تجهیزات دریایی، بلندگوهای تشخیص چاه نفت، سیستم‌های کنترل صدا و ارتعاش و سیستم‌های ارتباطی اکتشاف اقیانوس و زیرزمینی پیکربندی شده‌اند. بنابراین، به محض تولد ماده مغناطیسی غول‌پیکر آهن تربیم دیسپروزیوم، توجه گسترده‌ای از کشورهای صنعتی در سراسر جهان به آن جلب شد. شرکت Edge Technologies در ایالات متحده در سال ۱۹۸۹ تولید مواد مغناطیسی-انقباضی غول‌پیکر تربیم دیسپروزیم آهن را آغاز کرد و آنها را ترفنول D نامید. متعاقباً، سوئد، ژاپن، روسیه، بریتانیا و استرالیا نیز مواد مغناطیسی-انقباضی غول‌پیکر تربیم دیسپروزیم آهن را توسعه دادند.

از تاریخ توسعه این ماده در ایالات متحده، هم اختراع این ماده و هم کاربردهای انحصاری اولیه آن مستقیماً با صنعت نظامی (مانند نیروی دریایی) مرتبط هستند. اگرچه بخش‌های نظامی و دفاعی چین به تدریج درک خود را از این ماده تقویت می‌کنند. با این حال، پس از افزایش قابل توجه قدرت ملی جامع 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 غول‌پیکر تربیم دیسپروزیم آهن توسط بخش‌های نظامی و دفاع ملی یک ضرورت تاریخی خواهد بود.

به طور خلاصه، خواص عالی فراوان تربیم، آن را به عضوی ضروری از بسیاری از مواد کاربردی و جایگاهی غیرقابل جایگزین در برخی زمینه‌های کاربردی تبدیل کرده است. با این حال، به دلیل قیمت بالای تربیم، افراد در حال مطالعه چگونگی اجتناب و به حداقل رساندن استفاده از تربیم به منظور کاهش هزینه‌های تولید بوده‌اند. به عنوان مثال، مواد مغناطیسی-نوری خاکی کمیاب نیز باید تا حد امکان از کبالت آهن دیسپروزیم یا کبالت تربیم گادولینیوم ارزان قیمت استفاده کنند. سعی کنید محتوای تربیم را در پودر فلورسنت سبز که باید استفاده شود، کاهش دهید. قیمت به عامل مهمی تبدیل شده است که استفاده گسترده از تربیم را محدود می‌کند. اما بسیاری از مواد کاربردی نمی‌توانند بدون آن کار کنند، بنابراین باید به اصل "استفاده از فولاد خوب روی تیغه" پایبند باشیم و سعی کنیم تا حد امکان در استفاده از تربیم صرفه‌جویی کنیم.