عنصر جادویی کمیاب زمین: ایتربیم

ایتربیم: عدد اتمی ۷۰، وزن اتمی ۱۷۳.۰۴، نام عنصر برگرفته از محل کشف آن. محتوایایتربیمدر پوسته 0.000266٪ است، که عمدتاً در رسوبات فسفریت و طلای سیاه کمیاب وجود دارد، در حالی که محتوای آن در مونازیت 0.03٪ است و 7 ایزوتوپ طبیعی دارد.

کشف تاریخ

کشف شده توسط: ماریناک

زمان: ۱۸۷۸

مکان: سوئیس 

در سال ۱۸۷۸، شیمیدانان سوئیسی، ژان شارل و جی ماریگناک، یک عنصر خاکی کمیاب جدید در «اربیم» کشف کردند. در سال ۱۹۰۷، اولبان و ویل اشاره کردند که ماریگناک مخلوطی از اکسید لوتتیم و اکسید ایتربیم را جدا کرده است. به یاد روستای کوچکی به نام ایتربی در نزدیکی استکهلم، جایی که سنگ معدن ایتریم کشف شد، این عنصر جدید ایتربیم با نماد Yb نامگذاری شد.

پیکربندی الکترونی

۱s۲ ۲s۲ ۲p۶ ۳s۲ ۳p۶ ۴s۲ ۳d۱۰ ۴p۶ ۵s۲ ۴d۱۰ ۵p۶ ۶s۲ ۴f۱۴

فلز

ایتربیم فلزیبه رنگ خاکستری نقره‌ای، شکل‌پذیر و دارای بافتی نرم است. در دمای اتاق، ایتربیم می‌تواند به آرامی توسط هوا و آب اکسید شود.

دو ساختار کریستالی وجود دارد: α- نوع یک سیستم کریستالی مکعبی با وجوه مرکزدار (دمای اتاق -798 ℃)؛ β- نوع یک شبکه مکعبی با وجوه مرکزدار (بالای 798 ℃) است. نقطه ذوب 824 ℃، نقطه جوش 1427 ℃، چگالی نسبی 6.977 (نوع α-)، 6.54 (نوع β-).

نامحلول در آب سرد، محلول در اسیدها و آمونیاک مایع. در هوا کاملاً پایدار است. مشابه ساماریوم و یوروپیوم، ایتربیم به خاک‌های کمیاب با ظرفیت متغیر تعلق دارد و علاوه بر حالت سه ظرفیتی، می‌تواند در حالت دو ظرفیتی مثبت نیز باشد.

با توجه به این ویژگی ظرفیت متغیر، تهیه ایتربیم فلزی نباید از طریق الکترولیز انجام شود، بلکه برای تهیه و خالص‌سازی باید از روش تقطیر کاهشی استفاده شود. معمولاًفلز لانتانیمبه عنوان یک عامل کاهنده برای تقطیر کاهنده استفاده می‌شود و از اختلاف بین فشار بخار بالای فلز ایتربیم و فشار بخار پایین فلز لانتانیم استفاده می‌کند. همچنین،تولیم, ایتربیم، ولوتیتیمکنسانتره‌ها می‌توانند به عنوان مواد اولیه استفاده شوند و لانتانیم فلزی می‌تواند به عنوان عامل کاهنده استفاده شود. در شرایط خلاء با دمای بالا >1100 ℃ و <0.133Pa، ایتربیم فلزی را می‌توان مستقیماً با تقطیر کاهنده استخراج کرد. مانندساماریومویوروپیومایتربیم را می‌توان از طریق کاهش مرطوب نیز جداسازی و خالص‌سازی کرد. معمولاً از کنسانتره‌های تولیم، ایتربیم و لوتتیم به عنوان مواد اولیه استفاده می‌شود. پس از انحلال، ایتربیم به حالت دو ظرفیتی کاهش می‌یابد که باعث ایجاد تفاوت‌های قابل توجه در خواص می‌شود و سپس از سایر عناصر نادر خاکی سه ظرفیتی جدا می‌شود. تولید اکسید ایتربیم با خلوص بالا معمولاً با کروماتوگرافی استخراجی یا روش تبادل یونی انجام می‌شود.

کاربرد

برای تولید آلیاژهای خاص استفاده می‌شود.آلیاژهای ایتربیمدر دندانپزشکی برای آزمایش‌های متالورژیکی و شیمیایی به کار گرفته شده‌اند.

در سال‌های اخیر، ایتربیم در زمینه‌های ارتباطات فیبر نوری و فناوری لیزر ظهور کرده و به سرعت توسعه یافته است.

با ساخت و توسعه «بزرگراه اطلاعاتی»، شبکه‌های کامپیوتری و سیستم‌های انتقال فیبر نوری از راه دور، الزامات فزاینده‌ای برای عملکرد مواد فیبر نوری مورد استفاده در ارتباطات نوری دارند. یون‌های ایتربیم، به دلیل خواص طیفی عالی خود، می‌توانند به عنوان مواد تقویت‌کننده فیبر برای ارتباطات نوری، درست مانند ...، مورد استفاده قرار گیرند.اربیموتولیماگرچه اربیم، عنصر خاکی کمیاب، هنوز هم نقش اصلی را در تهیه تقویت‌کننده‌های فیبری ایفا می‌کند، فیبرهای کوارتز آلاییده شده با اربیم سنتی پهنای باند بهره کمی (30 نانومتر) دارند که برآورده کردن الزامات انتقال اطلاعات با سرعت و ظرفیت بالا را دشوار می‌کند. یون‌های Yb3+ در حدود 980 نانومتر، سطح مقطع جذب بسیار بزرگتری نسبت به یون‌های Er3+ دارند. از طریق اثر حساس‌سازی Yb3+ و انتقال انرژی اربیم و ایتربیم، نور 1530 نانومتری می‌تواند تا حد زیادی افزایش یابد و در نتیجه راندمان تقویت نور به میزان قابل توجهی بهبود یابد.

در سال‌های اخیر، شیشه فسفات آلاییده شده با اربیم ایتربیوم به طور فزاینده‌ای مورد توجه محققان قرار گرفته است. شیشه‌های فسفات و فلوروفسفات پایداری شیمیایی و حرارتی خوبی دارند، همچنین دارای عبور مادون قرمز وسیع و ویژگی‌های پهن‌شدگی غیریکنواخت زیادی هستند که آنها را به مواد ایده‌آلی برای شیشه فیبر تقویت‌شده با اربیم با پهنای باند وسیع و بهره بالا تبدیل می‌کند. تقویت‌کننده‌های فیبر آلاییده شده با Yb3+ می‌توانند به تقویت توان و تقویت سیگنال کوچک دست یابند که آنها را برای زمینه‌هایی مانند حسگرهای فیبر نوری، ارتباطات لیزری فضای آزاد و تقویت پالس فوق کوتاه مناسب می‌کند. چین در حال حاضر بزرگترین ظرفیت تک کاناله و سریع‌ترین سیستم انتقال نوری جهان را ساخته است و وسیع‌ترین بزرگراه اطلاعاتی جهان را دارد. تقویت‌کننده‌های فیبر و مواد لیزری آلاییده شده با ایتربیوم و سایر عناصر کمیاب خاکی نقش حیاتی و قابل توجهی در آنها ایفا می‌کنند.

ویژگی‌های طیفی ایتربیم همچنین به عنوان مواد لیزری با کیفیت بالا، هم به عنوان کریستال‌های لیزری، هم به عنوان شیشه‌های لیزری و هم به عنوان لیزرهای فیبری استفاده می‌شود. به عنوان یک ماده لیزری پرقدرت، کریستال‌های لیزری آلاییده به ایتربیم، مجموعه عظیمی از جمله آلاییده به ایتربیم را تشکیل داده‌اند.ایتریم آلومینیومگارنت (Yb: YAG)، آلاییده شده با ایتربیمگادولینیمگارنت گالیوم (Yb: GGG)، فلوروفسفات کلسیم آلاییده شده با ایتربیم (Yb: FAP)، فلوروفسفات استرانسیوم آلاییده شده با ایتربیم (Yb: S-FAP)، ایتریم وانادات آلاییده شده با ایتربیم (Yb: YV04)، بورات آلاییده شده با ایتربیم و سیلیکات. لیزر نیمه هادی (LD) نوع جدیدی از منبع پمپ برای لیزرهای حالت جامد است. Yb: YAG دارای ویژگی‌های بسیاری است که برای پمپاژ LD با توان بالا مناسب است و به یک ماده لیزری برای پمپاژ LD با توان بالا تبدیل شده است. کریستال Yb: S-FAP ممکن است در آینده به عنوان ماده لیزری برای همجوشی هسته‌ای لیزری استفاده شود، که توجه مردم را به خود جلب کرده است. در کریستال‌های لیزر قابل تنظیم، کروم، ایتربیوم، هولمیوم، ایتریم، آلومینیوم، گالیوم گارنت (Cr, Yb, Ho: YAGG) با طول موج‌های بین ۲.۸۴ تا ۳.۰۵ میکرومتر وجود دارد که به طور مداوم بین متر قابل تنظیم است. طبق آمار، اکثر کلاهک‌های مادون قرمز مورد استفاده در موشک‌ها در سراسر جهان از ۳-۵ میکرومتر استفاده می‌کنند. بنابراین، توسعه لیزرهای Cr, Yb, Ho: YSGG می‌تواند تداخل مؤثری را برای اقدامات متقابل سلاح‌های هدایت‌شده با مادون قرمز متوسط ​​فراهم کند و از اهمیت نظامی مهمی برخوردار است. چین در زمینه کریستال‌های لیزر آلاییده شده با ایتربیوم (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP و غیره) به مجموعه‌ای از نتایج نوآورانه با سطح پیشرفته بین‌المللی دست یافته است و فناوری‌های کلیدی مانند رشد کریستال و خروجی سریع، پالسی، پیوسته و قابل تنظیم لیزر را حل می‌کند. نتایج تحقیقات در دفاع ملی، صنعت و مهندسی علمی به کار گرفته شده است و محصولات کریستال آلاییده شده با ایتربیوم به چندین کشور و منطقه مانند ایالات متحده و ژاپن صادر شده است.

یکی دیگر از دسته‌های اصلی مواد لیزری ایتربیم، شیشه لیزر است. شیشه‌های لیزری با سطح مقطع انتشار بالا، از جمله تلوریت ژرمانیوم، نیوبات سیلیکون، بورات و فسفات، توسعه یافته‌اند. به دلیل سهولت قالب‌گیری شیشه، می‌توان آن را در اندازه‌های بزرگ ساخت و دارای ویژگی‌هایی مانند انتقال نور بالا و یکنواختی بالا است که تولید لیزرهای پرقدرت را ممکن می‌سازد. شیشه لیزر خاکی کمیاب که قبلاً عمدتاًنئودیمیمشیشه، که سابقه توسعه بیش از 40 سال و فناوری تولید و کاربرد بالغی دارد. این ماده همیشه ماده ترجیحی برای دستگاه‌های لیزر پرقدرت بوده و در دستگاه‌های آزمایشگاهی همجوشی هسته‌ای و سلاح‌های لیزری مورد استفاده قرار گرفته است. دستگاه‌های لیزر پرقدرت ساخته شده در چین، متشکل از لیزرنئودیمیمشیشه به عنوان رسانه اصلی لیزر، به سطح پیشرفته جهانی رسیده است. اما شیشه نئودیمیوم لیزری اکنون با چالش قدرتمندی از سوی شیشه ایتربیم لیزری روبرو است.

در سال‌های اخیر، تعداد زیادی از مطالعات نشان داده‌اند که بسیاری از خواص شیشه ایتربیم لیزری از خواص ... فراتر می‌رود.نئودیمیمشیشه. با توجه به اینکه لومینسانس آلاییده شده با ایتربیوم فقط دو سطح انرژی دارد، راندمان ذخیره انرژی آن بالا است. با همان بهره، شیشه ایتربیوم دارای راندمان ذخیره انرژی 16 برابر بیشتر از شیشه نئودیمیوم و طول عمر فلورسانس 3 برابر شیشه نئودیمیوم است. همچنین دارای مزایایی مانند غلظت بالای آلایش، پهنای باند جذب و قابلیت پمپاژ مستقیم توسط نیمه هادی ها است که آن را برای لیزرهای پرقدرت بسیار مناسب می کند. با این حال، کاربرد عملی شیشه لیزری ایتربیوم اغلب به کمک نئودیمیوم متکی است، مانند استفاده از Nd3+ به عنوان حساس کننده برای عملکرد شیشه لیزری ایتربیوم در دمای اتاق و انتشار لیزر μ در طول موج m. بنابراین، ایتربیوم و نئودیمیوم هم رقیب و هم شریک مشترک در زمینه شیشه لیزری هستند.

با تنظیم ترکیب شیشه، بسیاری از خواص لومینسانس شیشه لیزر ایتربیم را می‌توان بهبود بخشید. با توسعه لیزرهای پرقدرت به عنوان جهت اصلی، لیزرهای ساخته شده از شیشه لیزر ایتربیم به طور فزاینده‌ای در صنایع مدرن، کشاورزی، پزشکی، تحقیقات علمی و کاربردهای نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربرد نظامی: استفاده از انرژی تولید شده توسط همجوشی هسته‌ای به عنوان انرژی، همواره یک هدف مورد انتظار بوده است و دستیابی به همجوشی هسته‌ای کنترل‌شده، وسیله‌ای مهم برای بشریت جهت حل مشکلات انرژی خواهد بود. شیشه لیزری آلاییده شده با ایتربیم به دلیل عملکرد عالی لیزر، در قرن بیست و یکم به ماده‌ای ترجیحی برای دستیابی به ارتقاء همجوشی محصورسازی اینرسی (ICF) تبدیل می‌شود.

سلاح‌های لیزری از انرژی عظیم پرتو لیزر برای حمله و نابودی اهداف استفاده می‌کنند و دمای میلیاردها درجه سانتیگراد ایجاد می‌کنند و مستقیماً با سرعت نور حمله می‌کنند. می‌توان از آنها به عنوان نادانا یاد کرد و قدرت کشندگی بالایی دارند، به ویژه برای سیستم‌های دفاع هوایی مدرن در جنگ مناسب هستند. عملکرد عالی شیشه لیزری آلاییده شده با ایتربیوم، آن را به یک ماده اساسی مهم برای ساخت سلاح‌های لیزری با قدرت و کارایی بالا تبدیل کرده است.

لیزر فیبری یک فناوری جدید با سرعت در حال توسعه است و همچنین به حوزه کاربردهای شیشه لیزر تعلق دارد. لیزر فیبری لیزری است که از فیبر به عنوان محیط لیزر استفاده می‌کند که محصول ترکیبی از فناوری فیبر و لیزر است. این یک فناوری لیزر جدید است که بر اساس فناوری تقویت‌کننده فیبر آلاییده شده با اربیوم (EDFA) توسعه یافته است. یک لیزر فیبری از یک دیود لیزر نیمه‌هادی به عنوان منبع پمپ، یک موجبر فیبر نوری و یک محیط تقویت‌کننده و اجزای نوری مانند فیبرهای توری و کوپلر تشکیل شده است. این لیزر نیازی به تنظیم مکانیکی مسیر نوری ندارد و مکانیسم آن جمع و جور و به راحتی قابل ادغام است. در مقایسه با لیزرهای حالت جامد سنتی و لیزرهای نیمه‌هادی، دارای مزایای تکنولوژیکی و عملکردی مانند کیفیت پرتو بالا، پایداری خوب، مقاومت قوی در برابر تداخل محیطی، عدم نیاز به تنظیم، عدم نیاز به نگهداری و ساختار جمع و جور است. با توجه به اینکه یون‌های آلاییده شده عمدتاً Nd+3، Yb+3، Er+3، Tm+3، Ho+3 هستند که همگی از فیبرهای خاکی کمیاب به عنوان محیط تقویت‌کننده استفاده می‌کنند، لیزر فیبری توسعه یافته توسط این شرکت را می‌توان لیزر فیبر خاکی کمیاب نیز نامید.

کاربرد لیزر: لیزر فیبر دو غلافه آلاییده با ایتربیم با توان بالا در سال‌های اخیر به یک حوزه داغ در فناوری لیزر حالت جامد در سطح بین‌المللی تبدیل شده است. این لیزر از مزایای کیفیت پرتو خوب، ساختار جمع و جور و راندمان تبدیل بالا برخوردار است و چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در پردازش صنعتی و سایر زمینه‌ها دارد. فیبرهای دو غلافه آلاییده با ایتربیم برای پمپاژ لیزر نیمه‌هادی مناسب هستند، با راندمان کوپلینگ بالا و توان خروجی لیزر بالا، و جهت اصلی توسعه فیبرهای آلاییده با ایتربیم هستند. فناوری فیبر دو غلافه آلاییده با ایتربیم چین دیگر با سطح پیشرفته کشورهای خارجی برابری نمی‌کند. فیبر آلاییده با ایتربیم، فیبر آلاییده با ایتربیم دو غلافه و فیبر آلاییده شده با ایتربیم اربیم که در چین توسعه یافته‌اند، از نظر عملکرد و قابلیت اطمینان به سطح پیشرفته محصولات مشابه خارجی رسیده‌اند، دارای مزایای هزینه‌ای هستند و دارای فناوری‌های ثبت اختراع اصلی برای محصولات و روش‌های متعدد هستند.

شرکت لیزر آلمانی IPG که شهرت جهانی دارد، اخیراً اعلام کرد که سیستم لیزر فیبری آلاییده با ایتربیوم که به تازگی راه‌اندازی کرده است، دارای ویژگی‌های پرتو عالی، عمر پمپ بیش از 50000 ساعت، طول موج انتشار مرکزی 1070 تا 1080 نانومتر و توان خروجی تا 20 کیلووات است. این سیستم در جوشکاری ظریف، برش و حفاری سنگ کاربرد دارد.

مواد لیزری هسته و پایه توسعه فناوری لیزر هستند. همیشه در صنعت لیزر این جمله وجود داشته است که "یک نسل از مواد، یک نسل از دستگاه‌ها". برای توسعه دستگاه‌های لیزری پیشرفته و کاربردی، ابتدا باید مواد لیزری با کارایی بالا در اختیار داشت و سایر فناوری‌های مرتبط را ادغام کرد. کریستال‌های لیزری آلاییده شده با ایتربیوم و شیشه لیزری، به عنوان نیروی جدید مواد لیزری جامد، در حال توسعه نوآورانه ارتباطات فیبر نوری و فناوری لیزر، به ویژه در فناوری‌های لیزری پیشرفته مانند لیزرهای همجوشی هسته‌ای پرقدرت، لیزرهای کاشی ضربتی پرانرژی و لیزرهای تسلیحاتی پرانرژی هستند.

علاوه بر این، ایتربیم به عنوان فعال‌کننده پودر فلورسنت، سرامیک‌های رادیویی، افزودنی برای اجزای حافظه الکترونیکی کامپیوتر (حباب‌های مغناطیسی) و افزودنی‌های شیشه نوری نیز استفاده می‌شود. باید اشاره کرد که ایتریم و ایتریم هر دو از عناصر خاکی کمیاب هستند. اگرچه تفاوت‌های قابل توجهی در نام‌های انگلیسی و نمادهای عناصر وجود دارد، الفبای آوایی چینی هجاهای یکسانی دارد. در برخی از ترجمه‌های چینی، ایتریم گاهی اوقات به اشتباه ایتریوم نامیده می‌شود. در این مورد، باید متن اصلی را ردیابی کرده و نمادهای عناصر را برای تأیید ترکیب کنیم.