عنصر خاکی کمیاب جادویی: تربیوم

تربیوممتعلق به رده خاکهای کمیاب سنگین است، با فراوانی کم در پوسته زمین تنها 1.1 ppm.اکسید تربیومکمتر 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 را تشکیل می دهد.زمین کمیاب، نشان می دهد که به دسته "نجیب" تعلق داردزمین کمیابعناصر 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. فقط در 30 سال گذشته است کهتربیوماستعداد 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 ایتریموY2O3. ایتریوماین نام از نام روستای Itby در سوئد گرفته شده است. قبل از ظهور فناوری تبادل یونی، تربیوم به شکل خالص خود جدا نمی شد.

موساندر ابتدا تقسیم شداکسید ایتریمبه سه بخش که همه به نام سنگ معدن نامگذاری شده اند:اکسید ایتریم, اکسید اربیوم، واکسید تربیوم. اکسید تربیومدر ابتدا از یک قسمت صورتی تشکیل شده بود، به دلیل عنصری که اکنون به نام آن شناخته می شوداربیوم. اکسید اربیوم(از جمله آنچه ما اکنون تربیوم می نامیم) در ابتدا یک بخش بی رنگ در محلول بود. اکسید نامحلول این عنصر قهوه ای در نظر گرفته می شود.

کارگران بعدی مشاهده ریز بی رنگ را دشوار کردند.اکسید اربیوم"، اما قسمت صورتی محلول را نمی توان نادیده گرفت. بحث بر سر وجوداکسید اربیومبارها ظهور کرده 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. امروزه اعتقاد بر این است که کارگرانی که از دی سولفید سدیم یا سولفات پتاسیم برای حذف دی اکسید سریم استفاده می کنند.اکسید ایتریمچرخش ناخواستهتربیومبه رسوبات حاوی سریم. در حال حاضر به عنوان "تربیوم'، تنها حدود 1٪ از اصلی استاکسید ایتریموجود دارد، اما برای انتقال رنگ زرد روشن به آن کافی استاکسید ایتریم. بنابراین،تربیومیک جزء ثانویه است که در ابتدا حاوی آن بود و توسط همسایگان مستقیم خود کنترل می شود.گادولینیمودیسپروزیم.

پس از آن، هر زمان دیگریزمین کمیابعناصر از این مخلوط جدا شدند، بدون توجه به نسبت اکسید، نام تربیوم حفظ شد تا در نهایت، اکسید قهوه ای رنگتربیومبه صورت خالص به دست آمد. 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

چیدمان الکترونیکی:

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

ترتیب الکترونیکیتربیوم[Xe] 6s24f9 است. به طور معمول، تنها سه الکترون را می توان قبل از اینکه بار هسته ای بیش از حد بزرگ شود که یونیزه شود حذف کرد. با این حال، در موردتربیوم، نیمه پر شده استتربیومامکان یونیزاسیون بیشتر الکترون چهارم را در حضور یک اکسیدان بسیار قوی مانند گاز فلوئور فراهم می کند.

فلز

تربیومیک فلز خاکی کمیاب نقره ای سفید 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 عناصر اولیه لانتانید، در هوا نسبتاً پایدار است. نهمین عنصر عناصر لانتانید، تربیم، فلزی با بار بالا است که با آب واکنش داده و گاز هیدروژن را تشکیل می دهد.

در طبیعت،تربیومهرگز به عنوان یک عنصر آزاد یافت نشد که به مقدار کم در ماسه فسفر سریم توریم و سنگ معدن سیلیسیم بریلیم ایتریم وجود دارد.تربیومبا سایر عناصر خاکی کمیاب در ماسه مونازیت، با محتوای تربیوم به طور کلی 0.03٪ وجود دارد. منابع دیگر عبارتند از ایتریم فسفات و طلای خاکی کمیاب که هر دو مخلوطی از اکسیدهای حاوی حداکثر 1 درصد تربیوم هستند.

برنامه

کاربرد ازتربیومعمدتاً شامل زمینه‌های با فناوری پیشرفته است که پروژه‌های پیشرفته فناوری و دانش فشرده 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. وتربیومیک 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 نوری مغناطیسی 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

زمین کمیابتربیوممی تواند کیفیت محصولات را بهبود بخشد و سرعت فتوسنتز را در محدوده غلظت مشخصی افزایش دهد. کمپلکس های تربیوم فعالیت بیولوژیکی بالایی دارند و کمپلکس های سه تایی ازتربیوم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O، دارای اثرات ضد باکتریایی و ضد باکتریایی خوبی بر روی استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس و اشریشیا کلی با خواص ضد باکتریایی طیف وسیع است. مطالعه این مجتمع ها 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 خاکی کمیاب تلویزیون رنگی پودر فلورسنت قرمز تقاضا را تحریک کرده استایتریمویوروپیومسپس 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. یون‌های Tb3+ می‌توانند نور سبز با طول موج 545 نانومتر ساطع کنند و تقریباً از تمام پودرهای فلورسنت سبز خاکی کمیاب استفاده می‌شود.تربیوم، به عنوان یک فعال کننده

پودر فلورسنت سبز مورد استفاده برای لوله های پرتو کاتدی تلویزیون رنگی (CRTs) همیشه عمدتاً مبتنی بر سولفید روی ارزان و کارآمد بوده است، اما پودر تربیوم همیشه به عنوان پودر سبز تلویزیون رنگی مانند 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، پودرهای فلورسنت خاکی کمیاب برای صفحه‌های حساس‌سازی تولید شدند، مانندتربیوماکسید سولفید لانتانیم فعال، اکسید لانتانیم برمید فعال تربیوم (برای صفحه نمایش سبز)، و اکسید سولفید ایتریم فعال تربیوم. در مقایسه با تنگستات کلسیم، پودر فلورسنت خاکی کمیاب 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٪).

تربیومهمچنین 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 پودر فلورسنت سبز سولفید روی باتربیومبه عنوان فعال کننده 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 صورت گرفته استزمین کمیابلایه‌های نازک الکترولومینسانس کمپلکس آلی، هنوز فاصله خاصی از عملی بودن وجود دارد، و تحقیقات روی فیلم‌ها و دستگاه‌های نازک الکترولومینسنت پیچیده آلی خاکی کمیاب هنوز در عمق است.

ویژگی های فلورسانس تربیوم نیز به عنوان پروب فلورسانس استفاده می شود. برهمکنش بین کمپلکس افلوکساسین تربیوم (Tb3+) و دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) با استفاده از طیف‌های فلورسانس و جذب، مانند پروب فلورسانس افلوکساسین تربیوم (Tb3+) مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که پروب افلوکساسین Tb3+ می‌تواند یک شیار اتصال با مولکول‌های DNA ایجاد کند و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک می‌تواند به طور قابل‌توجهی فلورسانس سیستم Tb3 + افلوکساسین را افزایش دهد. بر اساس این تغییر می توان اسید دئوکسی ریبونوکلئیک 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 تربیوم گالیوم) دارای مزایای فرکانس کاری قابل تنظیم و پایداری حرارتی بالا هستند، اما ساخت آنها گران و دشوار است. علاوه بر این، بسیاری از بلورهای 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. لایه‌های نازک آلیاژ فلز واسطه تربیوم فلزی آمورف برای تولید دیسک‌های نوری مغناطیسی 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 مداوم انقلاب تکنولوژیکی جهانی، مواد کاربردی جدید خاکی کمیاب به سرعت در حال ظهور بودند. در سال 1984، دانشگاه ایالتی آیووا، آزمایشگاه ایمز وزارت انرژی ایالات متحده، و مرکز تحقیقات تسلیحات سطحی نیروی دریایی ایالات متحده (که پرسنل اصلی شرکت فناوری Edge که بعداً تأسیس شد (ET REMA) از آنجا آمدند) برای توسعه یک نایاب جدید همکاری کردند. مواد هوشمند زمین، یعنی مواد مغناطیسی مغناطیسی فرومغناطیسی تربیوم دیسپروزیم. این ماده هوشمند جدید دارای ویژگی های عالی برای 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، با افزایش قابل توجه قدرت ملی جامع چین، تقاضا برای دستیابی به استراتژی رقابتی نظامی قرن 21 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، بسیاری از خواص عالی ازتربیومآن 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 از کم هزینه استفاده کنندآهن دیسپروزیمکبالت یا گادولینیوم تربیوم کبالت تا حد امکان. سعی کنید محتوای تربیوم را در پودر فلورسنت سبزی که باید استفاده کنید کاهش دهید. قیمت به یک عامل مهم محدود کننده استفاده گسترده تبدیل شده استتربیوم. 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 در استفاده از آن صرفه جویی کنیم.تربیومتا حد امکان