عنصر جادویی کمیاب زمین: تربیم

تربیممتعلق به دسته عناصر خاکی کمیاب سنگین است و فراوانی کمی در پوسته زمین با تنها ۱.۱ ppm دارد.اکسید تربیمکمتر از 0.01٪ از کل عناصر خاکی کمیاب را تشکیل می‌دهد. حتی در سنگ معدن سنگین خاکی کمیاب از نوع یون ایتریم بالا با بالاترین مقدار تربیم، مقدار تربیم تنها 1.1 تا 1.2٪ از کل را تشکیل می‌دهد.خاک کمیابکه نشان می‌دهد به دسته «نجیب» تعلق داردخاک کمیابعناصر. 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 کهتربیماستعداد بی‌نظیر خود را نشان داده است.

کشف تاریخ

شیمیدان سوئدی، کارل گوستاف موساندر، تربیم را در سال ۱۸۴۳ کشف کرد. او ناخالصی‌های آن را در ... کشف کرد.اکسید ایتریموY2O3. ایتریمنام آن از روستای ایتبی در سوئد گرفته شده است. قبل از ظهور فناوری تبادل یونی، تربیم به شکل خالص خود جداسازی نشده بود.

موساندر ابتدا تقسیم شداکسید ایتریمبه سه بخش تقسیم شده است که هر سه به نام سنگ معدن نامگذاری شده‌اند:اکسید ایتریم, اکسید اربیم، واکسید تربیم. اکسید تربیمدر اصل از یک بخش صورتی تشکیل شده بود، به دلیل عنصری که اکنون به عنواناربیم. اکسید اربیم(از جمله آنچه اکنون تربیم می‌نامیم) در ابتدا بخشی بی‌رنگ در محلول بود. اکسید نامحلول این عنصر قهوه‌ای در نظر گرفته می‌شود.

کارگران بعدی مشاهده ذرات ریز بی‌رنگ را دشوار یافتند.اکسید اربیم«، اما بخش صورتی محلول را نمی‌توان نادیده گرفت. بحث بر سر وجوداکسید اربیمبارها و بارها پدیدار شده است. در این هرج و مرج، نام اصلی معکوس شد و تبادل نام‌ها متوقف شد، بنابراین قسمت صورتی در نهایت به عنوان محلولی حاوی اربیم ذکر شد (در محلول، صورتی بود). اکنون اعتقاد بر این است که کارگرانی که از دی سولفید سدیم یا سولفات پتاسیم برای حذف دی اکسید سریم از ... استفاده می‌کنند.اکسید ایتریمناخواسته چرخیدنتربیمبه رسوبات حاوی سریم تبدیل می‌شود. در حال حاضر به عنوانتربیم، تنها حدود ۱٪ از نسخه اصلیاکسید ایتریموجود دارد، اما این برای انتقال رنگ زرد روشن به آن کافی استاکسید ایتریمبنابراین،تربیمیک جزء ثانویه است که در ابتدا آن را در بر می‌گرفت و توسط همسایگان نزدیکش کنترل می‌شود،گادولینیمودیسپروزیم.

پس از آن، هر زمان دیگریخاک کمیابعناصر از این مخلوط جدا شدند، صرف نظر از نسبت اکسید، نام تربیم تا زمانی که در نهایت، اکسید قهوه‌ای رنگ ... حفظ شد.تربیمبه 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

طرح الکترونیکی:

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

آرایش الکترونیکیتربیم[Xe] 6s24f9 است. معمولاً فقط سه الکترون می‌توانند قبل از اینکه بار هسته برای یونیزه شدن بیشتر خیلی زیاد شود، جدا شوند. با این حال، در موردتربیم، نیمه پرتربیمیونیزاسیون بیشتر الکترون چهارم را در حضور یک اکسیدکننده بسیار قوی مانند گاز فلوئور امکان‌پذیر می‌کند.

فلز

تربیمیک 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 عناصر اولیه لانتانید، در هوا نسبتاً پایدار است. نهمین عنصر از عناصر لانتانید، تربیم، فلزی با بار الکتریکی بالا است که با آب واکنش داده و گاز هیدروژن تشکیل می‌دهد.

در طبیعت،تربیمهرگز به صورت عنصر آزاد یافت نشده است، و به مقدار کم در شن فسفر-سریم-توریم و سنگ معدن سیلیکون-بریلیوم-ایتریم وجود دارد.تربیماین عنصر به همراه سایر عناصر خاکی کمیاب در ماسه مونازیت وجود دارد و عموماً حاوی 0.03٪ تربیم است. منابع دیگر شامل فسفات ایتریم و طلای خاکی کمیاب است که هر دو مخلوطی از اکسیدهای حاوی حداکثر 1٪ تربیم هستند.

کاربرد

کاربردتربیمعمدتاً شامل حوزه‌های فناوری پیشرفته می‌شود 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. وتربیمیک 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

عناصر خاکی کمیابتربیممی‌تواند کیفیت محصولات کشاورزی را بهبود بخشد و سرعت فتوسنتز را در یک محدوده غلظتی خاص افزایش دهد. کمپلکس‌های تربیم فعالیت بیولوژیکی بالایی دارند و کمپلکس‌های سه‌تاییتربیم، Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3-3H2O، اثرات ضد باکتری و باکتری‌کشی خوبی بر روی استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس و اشرشیا کلی دارند و خواص ضد باکتریایی آنها طیف وسیعی را نشان می‌دهد. مطالعه این کمپلکس‌ها، جهت‌گیری 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 مورد استفاده قرار گیرند. 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 برایایتریمویوروپیومسپس کاربرد و توسعه تربیم توسط پودر فلورسنت سبز سه رنگ اصلی خاکی کمیاب برای لامپ‌ها ارتقا یافت. در اوایل دهه 1980، فیلیپس اولین لامپ فلورسنت کم‌مصرف جمع‌وجور 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 پودرهای فلورسنت سبز خاکی کمیاب ازتربیم، به عنوان فعال کننده.

پودر فلورسنت سبز مورد استفاده برای لامپ‌های پرتو کاتدی تلویزیون رنگی (CRT) همواره عمدتاً بر پایه سولفید روی ارزان و کارآمد بوده است، اما پودر تربیم همیشه به عنوان پودر سبز تلویزیون رنگی پروژکتور، مانند Y2SiO5: Tb3+، Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ و LaOBr: Tb3+ استفاده شده است. با توسعه تلویزیون‌های با کیفیت بالا (HDTV) با صفحه نمایش بزرگ، پودرهای فلورسنت سبز با کارایی بالا برای CRT 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، پودرهای فلورسنت عناصر کمیاب برای صفحات حساس‌سازی توسعه داده شدند، مانندتربیم، اکسید سولفید لانتانیم فعال شده، اکسید برمید لانتانیم فعال شده با تربیم (برای پرده‌های سبز) و اکسید سولفید ایتریم فعال شده با تربیم. در مقایسه با تنگستات کلسیم، پودر فلورسنت عناصر کمیاب می‌تواند زمان تابش اشعه ایکس را برای بیماران تا 80٪ 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 فعال کننده پودر فلورسنت برای صفحه نمایش‌های 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 کاهش دهد (بیش از 50٪).

تربیمهمچنین به عنوان فعال کننده در فسفر LED سفید تحریک شده توسط نور آبی برای روشنایی نیمه هادی جدید استفاده می شود. می توان 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 می شود و فلورسانس تولید شده با نور تحریک مخلوط می شود تا نور سفید خالص تولید شود.

مواد الکترولومینسانس ساخته شده از تربیم عمدتاً شامل پودر فلورسنت سبز سولفید روی با ...تربیمبه عنوان فعال کننده. تحت تابش فرابنفش، کمپلکس‌های آلی تربیم می‌توانند فلورسانس سبز قوی منتشر کنند و می‌توانند به عنوان مواد الکترولومینسانس لایه نازک مورد استفاده قرار گیرند. اگرچه پیشرفت‌های قابل توجهی در مطالعه‌یخاک کمیابلایه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی، هنوز تا عملی شدن فاصله‌ی مشخصی دارند و تحقیقات روی لایه‌ها و دستگاه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی خاکی کمیاب هنوز در حال انجام است.

ویژگی‌های فلورسانس تربیم نیز به عنوان کاوشگرهای فلورسانس استفاده می‌شوند. برهمکنش بین کمپلکس افلوکساسین تربیم (Tb3+) و دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) با استفاده از طیف‌های فلورسانس و جذب، مانند کاوشگر فلورسانس افلوکساسین تربیم (Tb3+)، مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که کاوشگر افلوکساسین Tb3+ می‌تواند یک اتصال شیاری با مولکول‌های DNA تشکیل دهد و دئوکسی ریبونوکلئیک اسید می‌تواند فلورسانس سیستم افلوکساسین Tb3+ را به طور قابل توجهی افزایش دهد. بر اساس این تغییر، دئوکسی ریبونوکلئیک اسید را می‌توان 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 ایتریم و گارنت گالیم 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 لایه‌های نازک آلیاژ فلزات واسطه تربیم آمورف برای ساخت دیسک‌های نوری مغناطیسی با کارایی بالا استفاده شده است. در میان آنها، لایه 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 یافته‌اند. 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 تعمیق مداوم انقلاب فناوری جهانی، مواد کاربردی جدید عناصر خاکی کمیاب به سرعت در حال ظهور بودند. در سال ۱۹۸۴، دانشگاه ایالتی آیووا، آزمایشگاه ایمز وزارت انرژی ایالات متحده و مرکز تحقیقات سلاح‌های سطحی نیروی دریایی ایالات متحده (که پرسنل اصلی شرکت فناوری اج (ET REMA) که بعداً تأسیس شد، از آن برخاستند) برای توسعه یک ماده هوشمند جدید عناصر خاکی کمیاب، یعنی ماده فرومغناطیسی مغناطیسی تربیم دیسپروزیم، با یکدیگر همکاری کردند. 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 غول‌پیکر مغناطیسی با موفقیت در تجهیزات دریایی، بلندگوهای تشخیص چاه نفت، سیستم‌های کنترل نویز و ارتعاش و سیستم‌های ارتباطی اکتشاف اقیانوس و زیرزمینی پیکربندی شده‌اند. بنابراین، به محض تولد ماده غول‌پیکر مغناطیسی آهن تربیم دیسپروزیم، 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 صنایع 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، با افزایش قابل توجه قدرت ملی جامع چین، تقاضا برای دستیابی به یک استراتژی رقابتی نظامی 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 فراوانِتربیمآن را به عضوی ضروری از بسیاری از مواد کاربردی و جایگاهی غیرقابل جایگزین در برخی زمینه‌های کاربردی تبدیل می‌کند. با این حال، به دلیل قیمت بالای تربیم، مردم 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 از مواد کم‌هزینه استفاده کنند.آهن دیسپروزیمتا حد امکان از کبالت یا گادولینیوم تربیم کبالت استفاده کنید؛ سعی کنید میزان تربیم را در پودر فلورسنت سبز مورد استفاده کاهش دهید. قیمت به عامل مهمی تبدیل شده است که استفاده گسترده از ... را محدود می‌کند.تربیماما بسیاری از مواد کاربردی بدون آن نمی‌توانند کار کنند، بنابراین ما باید به اصل «استفاده از فولاد خوب روی تیغه» پایبند باشیم و سعی کنیم در استفاده از آن صرفه‌جویی کنیم.تربیمتا حد امکان.