اخبار - مواد خاکی کمیاب نانومتری، نیرویی جدید در انقلاب صنعتی

مواد خاکی کمیاب نانومتری، نیرویی جدید در انقلاب صنعتی

نانوفناوری یک حوزه میان‌رشته‌ای جدید است که به تدریج در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ توسعه یافت. از آنجا که پتانسیل بالایی برای ایجاد فرآیندهای تولید جدید، مواد جدید و محصولات جدید دارد، انقلاب صنعتی جدیدی را در قرن جدید آغاز خواهد کرد. سطح توسعه فعلی علوم نانو و نانوفناوری مشابه فناوری کامپیوتر و اطلاعات در دهه ۱۹۵۰ است. اکثر دانشمندان متعهد به این حوزه پیش‌بینی می‌کنند که توسعه نانوفناوری تأثیر گسترده و گسترده‌ای بر بسیاری از جنبه‌های فناوری خواهد داشت. دانشمندان معتقدند که این فناوری دارای خواص عجیب و عملکرد منحصر به فردی است. اثرات اصلی محدودیت که منجر به خواص عجیب نانو مواد خاکی کمیاب می‌شود، اثر سطح ویژه، اثر اندازه کوچک، اثر سطح مشترک، اثر شفافیت، اثر تونل و اثر کوانتومی ماکروسکوپی است. این اثرات باعث می‌شود خواص فیزیکی نانوسیستم‌ها در نور، الکتریسیته، گرما و مغناطیس با مواد معمولی متفاوت باشد و ویژگی‌های جدید بسیاری را ارائه دهد. در آینده، سه جهت اصلی برای دانشمندان برای تحقیق و توسعه نانوفناوری وجود دارد: تهیه و کاربرد نانومواد با عملکرد عالی؛ طراحی و تهیه دستگاه‌ها و تجهیزات نانو مختلف؛ تشخیص و تجزیه و تحلیل خواص نواحی نانو. در حال حاضر، نانو مواد نادر خاکی عمدتاً دارای کاربردهای زیر هستند و کاربرد آنها باید در آینده بیشتر توسعه یابد.

اکسید لانتانیم نانومتری (La2O3)

اکسید لانتانیم نانومتری برای مواد پیزوالکتریک، مواد الکتروترمال، مواد ترموالکتریک، مواد مقاومت مغناطیسی، مواد لومینسانس (پودر آبی)، مواد ذخیره هیدروژن، شیشه نوری، مواد لیزری، مواد آلیاژی مختلف، کاتالیزورها برای تهیه محصولات شیمیایی آلی و کاتالیزورها برای خنثی سازی اگزوز خودرو و فیلم های کشاورزی تبدیل نور نیز برای اکسید لانتانیم نانومتری اعمال می شود.

اکسید سریم نانومتری (CeO2)

کاربردهای اصلی نانو اکسید سریم به شرح زیر است: ۱. به عنوان یک افزودنی شیشه، نانو اکسید سریم می‌تواند اشعه ماوراء بنفش و اشعه مادون قرمز را جذب کند و در شیشه خودرو نیز به کار رفته است. این ماده نه تنها می‌تواند از اشعه ماوراء بنفش جلوگیری کند، بلکه دمای داخل خودرو را نیز کاهش می‌دهد و در نتیجه در مصرف برق برای تهویه مطبوع صرفه‌جویی می‌کند. ۲. استفاده از نانو اکسید سریم در کاتالیزور تصفیه اگزوز خودرو می‌تواند به طور موثری از تخلیه مقدار زیادی گاز اگزوز خودرو به هوا جلوگیری کند. ۳. نانو اکسید سریم را می‌توان در رنگدانه برای رنگ‌آمیزی پلاستیک‌ها استفاده کرد و همچنین می‌توان در صنایع پوشش، جوهر و کاغذ از آن استفاده کرد. ۴. استفاده از نانو اکسید سریم در مواد صیقل‌دهنده به عنوان یک نیاز با دقت بالا برای صیقل دادن ویفرهای سیلیکونی و زیرلایه‌های تک کریستالی یاقوت کبود به طور گسترده شناخته شده است. ۵. علاوه بر این، نانو اکسید سریم می‌تواند در مواد ذخیره‌سازی هیدروژن، مواد ترموالکتریک، الکترودهای تنگستن نانو اکسید سریم، خازن‌های سرامیکی، سرامیک‌های پیزوالکتریک، ساینده‌های نانو اکسید سریم کاربید سیلیکون، مواد اولیه پیل سوختی، کاتالیزورهای بنزین، برخی مواد مغناطیسی دائمی، فولادهای آلیاژی مختلف و فلزات غیر آهنی و غیره نیز به کار رود.

اکسید پراسئودیمیوم نانومتری (Pr6O11)

کاربردهای اصلی اکسید پراسئودیمیوم نانومتری به شرح زیر است: ۱. این ماده به طور گسترده در سرامیک‌های ساختمانی و سرامیک‌های روزمره استفاده می‌شود. می‌توان آن را با لعاب سرامیکی مخلوط کرد تا لعاب رنگی ایجاد شود و همچنین می‌توان از آن به تنهایی به عنوان رنگدانه زیر لعاب استفاده کرد. رنگدانه تهیه شده زرد روشن با رنگ خالص و زیبا است. ۲. از آن برای ساخت آهنرباهای دائمی استفاده می‌شود و به طور گسترده در دستگاه‌ها و موتورهای الکترونیکی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. ۳. از آن برای کراکینگ کاتالیزوری نفت استفاده می‌شود. فعالیت، گزینش‌پذیری و پایداری کاتالیز را می‌توان بهبود بخشید. ۴. اکسید نانو پراسئودیمیوم همچنین می‌تواند برای صیقل‌کاری ساینده استفاده شود. علاوه بر این، کاربرد اکسید پراسئودیمیوم نانومتری در زمینه فیبر نوری روز به روز گسترده‌تر می‌شود. اکسید نئودیمیوم نانومتری (Nd2O3) اکسید نئودیمیوم نانومتری به دلیل موقعیت منحصر به فرد خود در زمینه عناصر خاکی کمیاب، سال‌هاست که به یک نقطه داغ در بازار تبدیل شده است. نانو اکسید نئودیمیوم همچنین برای مواد غیرآهنی استفاده می‌شود. افزودن ۱.۵٪ تا ۲.۵٪ نانو اکسید نئودیمیوم به آلیاژ منیزیم یا آلومینیوم می‌تواند عملکرد دمای بالا، هوابندی و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ را بهبود بخشد و به طور گسترده به عنوان ماده هوافضا برای هوانوردی استفاده می‌شود. علاوه بر این، نانو ایتریم آلومینیوم گارنت آلاییده شده با نانو اکسید نئودیمیوم، پرتو لیزر موج کوتاه تولید می‌کند که به طور گسترده برای جوشکاری و برش مواد نازک با ضخامت کمتر از ۱۰ میلی‌متر در صنعت استفاده می‌شود. در زمینه پزشکی، لیزر نانو-YAG آلاییده شده با نانو-Nd_2O_3 برای از بین بردن زخم‌های جراحی یا ضدعفونی کردن زخم‌ها به جای چاقوهای جراحی استفاده می‌شود. اکسید نئودیمیوم نانومتری همچنین برای رنگ‌آمیزی مواد شیشه‌ای و سرامیکی، محصولات لاستیکی و افزودنی‌ها استفاده می‌شود.

نانوذرات اکسید ساماریوم (Sm2O3)

کاربردهای اصلی اکسید ساماریوم در اندازه نانو عبارتند از: اکسید ساماریوم در اندازه نانو به رنگ زرد روشن است که در خازن‌ها و کاتالیزورهای سرامیکی به کار می‌رود. علاوه بر این، اکسید ساماریوم در اندازه نانو دارای خواص هسته‌ای است و می‌تواند به عنوان ماده ساختاری، ماده محافظ و ماده کنترلی راکتور انرژی اتمی مورد استفاده قرار گیرد، به طوری که انرژی عظیم تولید شده توسط شکافت هسته‌ای را می‌توان با خیال راحت استفاده کرد. نانوذرات اکسید اروپیم (Eu2O3) بیشتر در فسفرها استفاده می‌شوند. Eu3+ به عنوان فعال‌کننده فسفر قرمز و Eu2+ به عنوان فسفر آبی استفاده می‌شود. Y0O3:Eu3+ بهترین فسفر از نظر بازده نوری، پایداری پوشش، هزینه بازیابی و غیره است و به دلیل بهبود بازده نوری و کنتراست به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. اخیراً، نانو اکسید اروپیم به عنوان فسفر گسیل القایی برای سیستم جدید تشخیص پزشکی اشعه ایکس نیز استفاده می‌شود. نانو اکسید اروپیم همچنین می‌تواند برای ساخت لنزهای رنگی و فیلترهای نوری، برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی حباب مغناطیسی استفاده شود و همچنین می‌تواند استعدادهای خود را در مواد کنترلی، مواد محافظ و مواد ساختاری راکتورهای اتمی نشان دهد. فسفر قرمز گادولینیوم یوروپیوم اکسید (Y2O3:Eu3+) با ذرات ریز و با استفاده از نانو اکسید ایتریم (Y2O3) و نانو اکسید یوروپیوم (Eu2O3) به عنوان مواد اولیه تهیه شد. هنگام استفاده از آن برای تهیه فسفر سه رنگ خاکی کمیاب، مشخص شد که: (الف) می‌تواند به خوبی و به طور یکنواخت با پودر سبز و پودر آبی مخلوط شود؛ (ب) عملکرد پوشش‌دهی خوبی دارد؛ (ج) از آنجا که اندازه ذرات پودر قرمز کوچک است، سطح ویژه افزایش می‌یابد و تعداد ذرات لومینسانس افزایش می‌یابد، می‌توان مقدار پودر قرمز را در فسفرهای سه رنگ خاکی کمیاب کاهش داد و در نتیجه هزینه کمتری داشت.

نانوذرات اکسید گادولینیوم (Gd2O3)

کاربردهای اصلی آن به شرح زیر است: ۱. کمپلکس پارامغناطیس محلول در آب آن می‌تواند سیگنال تصویربرداری NMR بدن انسان را در درمان پزشکی بهبود بخشد. ۲. اکسید گوگرد پایه می‌تواند به عنوان شبکه ماتریسی لوله اسیلوسکوپ و صفحه نمایش اشعه ایکس با روشنایی ویژه استفاده شود. ۳. نانو اکسید گادولینیوم در نانو گادولینیوم گالیوم گارنت یک زیرلایه ایده‌آل برای حافظه حباب مغناطیسی است. ۴. هنگامی که محدودیت چرخه کاموت وجود ندارد، می‌توان از آن به عنوان محیط خنک‌کننده مغناطیسی جامد استفاده کرد. ۵. به عنوان یک مهارکننده برای کنترل سطح واکنش زنجیره‌ای نیروگاه‌های هسته‌ای برای اطمینان از ایمنی واکنش‌های هسته‌ای استفاده می‌شود. علاوه بر این، استفاده از نانو اکسید گادولینیوم و نانو اکسید لانتانیم برای تغییر ناحیه شیشه‌ای شدن و بهبود پایداری حرارتی شیشه مفید است. نانو اکسید گادولینیوم همچنین می‌تواند برای ساخت خازن‌ها و صفحه نمایش‌های تشدید اشعه ایکس استفاده شود. در حال حاضر، جهان تلاش‌های زیادی برای توسعه کاربرد نانو اکسید گادولینیوم و آلیاژهای آن در تبرید مغناطیسی انجام می‌دهد و پیشرفت‌های چشمگیری داشته است.

نانوذرات اکسید تربیم (Tb4O7)

زمینه‌های کاربردی اصلی به شرح زیر است: ۱. فسفرها به عنوان فعال‌کننده پودر سبز در فسفرهای سه رنگ استفاده می‌شوند، مانند ماتریس فسفات فعال شده توسط نانو اکسید تربیم، ماتریس سیلیکات فعال شده توسط نانو اکسید تربیم و ماتریس آلومینات منیزیم اکسید سریم فعال شده توسط نانو اکسید تربیم، که همگی در حالت برانگیخته نور سبز ساطع می‌کنند. ۲. مواد ذخیره‌سازی مغناطیسی-نوری، در سال‌های اخیر، مواد مغناطیسی-نوری نانو اکسید تربیم مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته‌اند. دیسک مغناطیسی-نوری ساخته شده از فیلم آمورف Tb-Fe به عنوان عنصر ذخیره‌سازی کامپیوتر استفاده می‌شود و ظرفیت ذخیره‌سازی را می‌توان ۱۰ تا ۱۵ برابر افزایش داد. ۳. شیشه مغناطیسی-نوری، شیشه فعال نوری فارادی حاوی اکسید تربیم نانومتری، ماده‌ای کلیدی برای ساخت چرخاننده‌ها، ایزولاتورها، حلقه‌زن‌ها است و به طور گسترده در فناوری لیزر مورد استفاده قرار می‌گیرد. اکسید تربیم نانومتری (اکسید دیسپروزیم نانومتری) عمدتاً در سونار استفاده می‌شود و در بسیاری از زمینه‌ها مانند سیستم تزریق سوخت، کنترل دریچه مایع، موقعیت‌یابی میکرو، محرک مکانیکی، مکانیسم و تنظیم‌کننده بال تلسکوپ فضایی هواپیما به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. کاربردهای اصلی نانو اکسید دیسپروزیم Dy2O3 عبارتند از: ۱. نانو اکسید دیسپروزیم به عنوان فعال‌کننده فسفر استفاده می‌شود و نانو اکسید دیسپروزیم سه ظرفیتی یک یون فعال‌کننده امیدوارکننده از مواد لومینسانس سه رنگ با مرکز لومینسانس واحد است. این ماده عمدتاً از دو باند انتشار تشکیل شده است، یکی انتشار نور زرد، دیگری انتشار نور آبی، و مواد لومینسانس آلاییده شده با اکسید نانو دیسپروزیم می‌توانند به عنوان فسفرهای سه رنگ استفاده شوند. ۲. اکسید دیسپروزیم نانومتری یک ماده اولیه فلزی ضروری برای تهیه آلیاژ ترفنول با آلیاژ مغناطیسی بزرگ نانو اکسید تربیوم و نانو اکسید دیسپروزیم است که می‌تواند برخی از فعالیت‌های دقیق حرکت مکانیکی را تحقق بخشد. 3. فلز اکسید دیسپروزیم نانومتری می‌تواند به عنوان ماده ذخیره‌سازی مغناطیسی-نوری با سرعت ضبط و حساسیت خواندن بالا استفاده شود. 4. برای تهیه لامپ اکسید دیسپروزیم نانومتری استفاده می‌شود. ماده فعال مورد استفاده در لامپ اکسید دیسپروزیم نانومتری، اکسید دیسپروزیم نانو است که دارای مزایای روشنایی بالا، رنگ خوب، دمای رنگ بالا، اندازه کوچک و قوس پایدار است و به عنوان منبع روشنایی برای فیلم و چاپ استفاده شده است. 5. اکسید دیسپروزیم نانومتری به دلیل سطح مقطع بزرگ جذب نوترون، برای اندازه‌گیری طیف انرژی نوترون یا به عنوان جاذب نوترون در صنعت انرژی اتمی استفاده می‌شود.

Ho _ 2O _ 3 نانومتر

کاربردهای اصلی نانو اکسید هولمیوم به شرح زیر است: ۱. به عنوان افزودنی لامپ هالوژن فلزی، لامپ هالوژن فلزی نوعی لامپ تخلیه گازی است که بر اساس لامپ جیوه فشار بالا توسعه یافته است و ویژگی آن این است که لامپ با هالیدهای مختلف عناصر خاکی کمیاب پر شده است. در حال حاضر، عمدتاً از یدیدهای عناصر خاکی کمیاب استفاده می‌شود که هنگام تخلیه گاز، خطوط طیفی مختلفی منتشر می‌کنند. ماده مؤثر مورد استفاده در لامپ اکسید نانو هولمیوم، یدید اکسید نانو هولمیوم است که می‌تواند غلظت اتم فلزی بالاتری را در ناحیه قوس به دست آورد و در نتیجه راندمان تابش را تا حد زیادی بهبود بخشد. ۲. اکسید هولمیوم نانومتری می‌تواند به عنوان افزودنی آهن ایتریم یا گارنت آلومینیوم ایتریم استفاده شود. ۳. اکسید نانو هولمیوم می‌تواند به عنوان گارنت آلومینیوم آهن ایتریم (Ho:YAG) استفاده شود که می‌تواند لیزر ۲ میکرومتری ساطع کند و میزان جذب بافت انسان به لیزر ۲ میکرومتری بالا است. تقریباً سه برابر بیشتر از Hd:YAG0 است. بنابراین، هنگام استفاده از لیزر Ho:YAG برای عمل‌های پزشکی، نه تنها می‌تواند راندمان و دقت عمل را بهبود بخشد، بلکه ناحیه آسیب حرارتی را نیز به اندازه کوچکتری کاهش می‌دهد. پرتو آزاد تولید شده توسط کریستال نانو اکسید هولمیوم می‌تواند چربی را بدون تولید گرمای بیش از حد از بین ببرد و در نتیجه آسیب حرارتی ناشی از بافت‌های سالم را کاهش دهد. گزارش شده است که درمان گلوکوم با لیزر نانومتری اکسید هولمیوم در ایالات متحده می‌تواند درد جراحی را کاهش دهد. 4. در آلیاژ مغناطیسی ترفنول-دی، مقدار کمی اکسید هولمیوم در اندازه نانو نیز می‌تواند اضافه شود تا میدان خارجی مورد نیاز برای مغناطش اشباع آلیاژ کاهش یابد. 5. علاوه بر این، فیبر نوری آلاییده شده با اکسید نانو هولمیوم می‌تواند برای ساخت دستگاه‌های ارتباط نوری مانند لیزرهای فیبر نوری، تقویت‌کننده‌های فیبر نوری، حسگرهای فیبر نوری و غیره استفاده شود. این امر نقش مهم‌تری در ارتباط سریع فیبر نوری امروزی ایفا خواهد کرد.

اکسید ایتریم نانومتری (Y2O3)

کاربردهای اصلی نانو اکسید ایتریم به شرح زیر است: ۱. افزودنی برای فولاد و آلیاژهای غیرآهنی. آلیاژ FeCr معمولاً حاوی ۰.۵٪ تا ۴٪ نانو اکسید ایتریم است که می‌تواند مقاومت در برابر اکسیداسیون و شکل‌پذیری این فولادهای ضد زنگ را افزایش دهد. پس از افزودن مقدار مناسبی از خاک کمیاب مخلوط غنی از اکسید ایتریم نانومتری به آلیاژ MB26، خواص جامع آلیاژ به وضوح بهبود یافته است. این آلیاژ می‌تواند جایگزین برخی از آلیاژهای آلومینیوم متوسط و قوی برای اجزای تحت تنش هواپیما شود. افزودن مقدار کمی خاک کمیاب نانو اکسید ایتریم به آلیاژ Al-Zr می‌تواند رسانایی آلیاژ را بهبود بخشد. این آلیاژ توسط اکثر کارخانه‌های سیم در چین پذیرفته شده است. نانو اکسید ایتریم به آلیاژ مس اضافه شد تا رسانایی و استحکام مکانیکی را بهبود بخشد. ۲. ماده سرامیکی نیترید سیلیکون حاوی ۶٪ نانو اکسید ایتریم و ۲٪ آلومینیوم. می‌توان از آن برای توسعه قطعات موتور استفاده کرد. ۳. سوراخکاری، برش، جوشکاری و سایر فرآیندهای مکانیکی روی قطعات در مقیاس بزرگ با استفاده از پرتو لیزر نانو اکسید نئودیمیوم گارنت آلومینیوم با توان ۴۰۰ وات انجام می‌شود. ۴. صفحه نمایش میکروسکوپ الکترونی متشکل از تک بلور گارنت Y-Al دارای درخشندگی فلورسانس بالا، جذب کم نور پراکنده و مقاومت خوب در دمای بالا و مقاومت در برابر سایش مکانیکی است. ۵. آلیاژ ساختار نانو اکسید ایتریم بالا حاوی ۹۰٪ نانو اکسید گادولینیوم می‌تواند در هوانوردی و سایر مواردی که نیاز به چگالی کم و نقطه ذوب بالا دارند، اعمال شود. ۶. مواد رسانای پروتون دمای بالا حاوی ۹۰٪ نانو اکسید ایتریم برای تولید سلول‌های سوختی، سلول‌های الکترولیتی و حسگرهای گازی که نیاز به حلالیت بالای هیدروژن دارند، از اهمیت زیادی برخوردارند. علاوه بر این، نانو اکسید ایتریم همچنین به عنوان ماده مقاوم در برابر پاشش در دمای بالا، رقیق‌کننده سوخت راکتور اتمی، افزودنی ماده آهنربای دائمی و گیرنده در صنعت الکترونیک استفاده می‌شود.

علاوه بر موارد فوق، نانو اکسیدهای خاکی کمیاب می‌توانند در مواد پوشاک برای مراقبت از سلامت انسان و حفاظت از محیط زیست نیز استفاده شوند. از واحدهای تحقیقاتی فعلی، همه آنها جهت‌گیری‌های خاصی دارند: ضد اشعه ماوراء بنفش؛ آلودگی هوا و اشعه ماوراء بنفش مستعد ابتلا به بیماری‌های پوستی و سرطان‌های پوست هستند؛ جلوگیری از آلودگی، چسبیدن آلاینده‌ها به لباس را دشوار می‌کند؛ همچنین در جهت گرم نگه داشتن مورد مطالعه قرار می‌گیرد. از آنجا که چرم سخت و به راحتی کهنه می‌شود، در روزهای بارانی بیشتر مستعد کپک زدن است. چرم را می‌توان با سفید کردن با اکسید سریم نانو خاکی کمیاب نرم کرد که به راحتی کهنه و کپک نمی‌زند و پوشیدن آن راحت است. در سال‌های اخیر، مواد پوشش نانو نیز مورد توجه تحقیقات نانومواد قرار گرفته‌اند و تحقیقات اصلی بر روی پوشش‌های کاربردی متمرکز است. Y2O3 با 80 نانومتر در ایالات متحده می‌تواند به عنوان پوشش محافظ مادون قرمز استفاده شود. راندمان بازتاب گرما بسیار بالا است. CeO2 دارای ضریب شکست بالا و پایداری بالایی است. وقتی نانو اکسید ایتریم خاکی کمیاب، نانو اکسید لانتانیم و پودر نانو اکسید سریم به پوشش اضافه می‌شوند، دیوار خارجی می‌تواند در برابر پیری مقاومت کند، زیرا پوشش دیوار خارجی به دلیل قرار گرفتن طولانی مدت رنگ در معرض نور خورشید و اشعه ماوراء بنفش، به راحتی کهنه و از بین می‌رود و پس از افزودن اکسید سریم و اکسید ایتریم می‌تواند در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاومت کند. علاوه بر این، اندازه ذرات آن بسیار کوچک است و نانو اکسید سریم به عنوان جاذب اشعه ماوراء بنفش استفاده می‌شود که انتظار می‌رود برای جلوگیری از پیری محصولات پلاستیکی به دلیل تابش اشعه ماوراء بنفش، مخازن، اتومبیل‌ها، کشتی‌ها، مخازن ذخیره نفت و غیره استفاده شود که می‌تواند به بهترین وجه از تابلوهای تبلیغاتی بزرگ در فضای باز محافظت کند و از کپک، رطوبت و آلودگی برای پوشش‌های دیوار داخلی جلوگیری کند. به دلیل اندازه ذرات کوچک آن، گرد و غبار به راحتی به دیوار نمی‌چسبد. و می‌توان آن را با آب تمیز کرد. هنوز کاربردهای زیادی برای نانو اکسیدهای خاکی کمیاب وجود دارد که باید بیشتر مورد تحقیق و توسعه قرار گیرند و ما صمیمانه امیدواریم که آینده درخشان‌تری داشته باشد.