العنصر الأرضي النادر السحري: التيربيوم

تيربيومينتمي إلى فئة العناصر الأرضية النادرة الثقيلة، والتي تتميز بتوفرها المنخفض في القشرة الأرضية بنسبة 1.1 جزء في المليون فقط.أكسيد التيربيوميمثل أقل من 0.01٪ من إجمالي الأتربة النادرة. حتى في خامات الأرض النادرة الثقيلة من نوع أيون الإيتريوم والتي تحتوي على أعلى محتوى من التربيوم، فإن محتوى التربيوم يمثل فقط 1.1-1.2% من الإجماليالأرض النادرةمما يدل على أنه ينتمي إلى فئة "النبيلة".الأرض النادرةعناصر. لأكثر من 100 عام منذ اكتشاف التيربيوم عام 1843، حالت ندرته وقيمته دون تطبيقه العملي لفترة طويلة. ولم يحدث ذلك إلا في الثلاثين عامًا الماضيةتيربيوموقد أظهرت موهبتها الفريدة.

اكتشاف التاريخ

اكتشف الكيميائي السويدي كارل غوستاف موساندر التيربيوم في عام 1843. واكتشف شوائبه فيأكسيد الإيتريوموY2O3. الإيتريومسميت على اسم قرية إيتبي في السويد. قبل ظهور تكنولوجيا التبادل الأيوني، لم يتم عزل التيربيوم في شكله النقي.

تم تقسيم موساندر أولاًأكسيد الإيتريومإلى ثلاثة أجزاء، كلها تحمل أسماء الخامات:أكسيد الإيتريوم, أكسيد الإربيوم، وأكسيد التيربيوم. أكسيد التيربيومكان في الأصل يتكون من جزء وردي اللون، وذلك بسبب العنصر المعروف الآن باسمالإربيوم. أكسيد الإربيوم(بما في ذلك ما نسميه الآن بالتربيوم) كان في الأصل جزءًا عديم اللون في المحلول. يعتبر الأكسيد غير القابل للذوبان لهذا العنصر بنيًا.

وفي وقت لاحق، وجد العمال صعوبة في ملاحظة الأجسام الصغيرة عديمة اللون.أكسيد الإربيوم"، ولكن لا يمكن تجاهل الجزء الوردي القابل للذوبان. الجدل حول وجودأكسيد الإربيوموقد ظهرت مرارا وتكرارا. وفي ظل الفوضى، تم عكس الاسم الأصلي وتوقف تبادل الأسماء، لذلك تم ذكر الجزء الوردي في النهاية كمحلول يحتوي على الإربيوم (في المحلول كان ورديًا). ويعتقد الآن أن العمال الذين يستخدمون ثاني كبريتيد الصوديوم أو كبريتات البوتاسيوم لإزالة ثاني أكسيد السيريوم منأكسيد الإيتريومبدوره عن غير قصدتيربيومإلى رواسب تحتوي على السيريوم. المعروف حاليًا باسم "تيربيوم"، حوالي 1٪ فقط من الأصلأكسيد الإيتريومموجود، ولكن هذا يكفي لنقل اللون الأصفر الفاتح إليهأكسيد الإيتريوم. لذلك،تيربيومهو مكون ثانوي يحتوي عليه في البداية، ويتحكم فيه جيرانه المباشرون،الجادولينيوموالديسبروسيوم.

بعد ذلك، كلما أخرىالأرض النادرةتم فصل العناصر من هذا الخليط، وبغض النظر عن نسبة الأكسيد، ظل اسم التربيوم محفوظا حتى النهاية، الأكسيد البني منتيربيومتم الحصول عليها في شكل نقي. لم يستخدم الباحثون في القرن التاسع عشر تقنية التألق فوق البنفسجي لمراقبة العقيدات الصفراء أو الخضراء الزاهية (III)، مما يسهل التعرف على التيربيوم في الخلائط أو المحاليل الصلبة.

التكوين الإلكتروني

التخطيط الإلكتروني:

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

الترتيب الالكترونيتيربيومهو [Xe] 6s24f9. في العادة، يمكن إزالة ثلاثة إلكترونات فقط قبل أن تصبح الشحنة النووية كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تأينها بشكل أكبر. ومع ذلك، في حالةتيربيوم، شبه مملوءةتيربيوميسمح بمزيد من التأين للإلكترون الرابع في وجود عامل مؤكسد قوي جدًا مثل غاز الفلور.

معدن

تيربيومهو معدن ترابي أبيض فضي نادر يتميز بالليونة والصلابة والنعومة التي يمكن قطعها بسكين. نقطة الانصهار 1360 درجة مئوية، نقطة الغليان 3123 درجة مئوية، الكثافة 8229 4 كجم/م3. بالمقارنة مع عناصر اللانثانيدات المبكرة، فهو مستقر نسبيًا في الهواء. العنصر التاسع من عناصر اللانثانيدات هو التيربيوم، وهو معدن عالي الشحنة يتفاعل مع الماء لتكوين غاز الهيدروجين.

في الطبيعة،تيربيوملم يتم العثور على عنصر حر أبدًا، موجود بكميات صغيرة في رمل السيريوم والثوريوم والفوسفور وخام بيريليوم الإيتريوم السيليكوني.تيربيوميتواجد مع عناصر أرضية نادرة أخرى في رمل المونازيت، بمحتوى تربيوم يبلغ 0.03% بشكل عام. وتشمل المصادر الأخرى فوسفات الإيتريوم والذهب الأرضي النادر، وكلاهما عبارة عن خليط من الأكاسيد التي تحتوي على ما يصل إلى 1٪ من التيربيوم.

طلب

تطبيقتيربيوموتشمل في الغالب مجالات التكنولوجيا الفائقة، وهي مشاريع متطورة كثيفة التكنولوجيا ومكثفة المعرفة، فضلا عن المشاريع ذات الفوائد الاقتصادية الكبيرة، مع آفاق التنمية الجذابة.

مجالات التطبيق الرئيسية تشمل:

(1) تستخدم في شكل أتربة نادرة مختلطة. على سبيل المثال، يتم استخدامه كسماد مركب ترابي نادر ومضاف للأعلاف للزراعة.

(2) منشط للمسحوق الأخضر في ثلاثة مساحيق الفلورسنت الأولية. تتطلب المواد الإلكترونية الضوئية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفوسفور، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، والتي يمكن استخدامها لتجميع الألوان المختلفة. وتيربيومهو عنصر لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة.

(3) تستخدم كمادة تخزين بصرية مغناطيسية. تم استخدام الأغشية الرقيقة من سبائك معدن التيربيوم الانتقالية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية ضوئية عالية الأداء.

(4) تصنيع الزجاج البصري المغناطيسي . يعتبر زجاج فاراداي الدوار الذي يحتوي على التيربيوم مادة أساسية لتصنيع الدوارات والعوازل والدورات في تكنولوجيا الليزر.

(5) فتح تطوير وتطوير سبيكة التربيوم ديسبروسيوم الحديد المغناطيسي (TerFenol) تطبيقات جديدة للتربيوم.

للزراعة وتربية الحيوانات

الأرض النادرةتيربيوميمكن أن يحسن جودة المحاصيل ويزيد من معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز معين. تمتلك مجمعات التيربيوم نشاطاً بيولوجياً عالياً، أما مجمعات التيربيوم الثلاثية فلها نشاط بيولوجي عاليتيربيوم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O، له تأثيرات جيدة مضادة للجراثيم ومبيد للجراثيم على المكورات العنقودية الذهبية، العصوية الرقيقة، والإشريكية القولونية، مع خصائص مضادة للجراثيم واسعة النطاق. توفر دراسة هذه المجمعات اتجاهًا بحثيًا جديدًا للأدوية المبيدة للجراثيم الحديثة.

يستخدم في مجال التلألؤ

تتطلب المواد الإلكترونية الضوئية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفوسفور، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، والتي يمكن استخدامها لتجميع الألوان المختلفة. والتيربيوم عنصر لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة. إذا كانت ولادة مسحوق الفلورسنت الأحمر للتلفزيون الملون الأرضي النادر قد حفزت الطلب عليهالإيتريومواليوروبيوم، ثم تم تعزيز تطبيق وتطوير التيربيوم بواسطة مسحوق الفلورسنت الأخضر الأساسي المكون من ثلاثة ألوان أرضية نادرة للمصابيح. في أوائل الثمانينيات، اخترعت شركة Philips أول مصباح فلورسنت مدمج موفر للطاقة في العالم وسرعان ما روجت له عالميًا. يمكن لأيونات Tb3+ أن تنبعث منها ضوء أخضر بطول موجة يبلغ 545 نانومتر، وتستخدم جميع مساحيق الفلورسنت الخضراء الأرضية النادرة تقريبًاتيربيوم، كمنشط.

مسحوق الفلورسنت الأخضر المستخدم في أنابيب أشعة الكاثود للتلفزيون الملون (CRTs) يعتمد دائمًا بشكل أساسي على كبريتيد الزنك الرخيص والفعال، ولكن مسحوق التيربيوم يستخدم دائمًا كمسحوق أخضر للتلفزيون الملون، مثل Y2SiO5: Tb3+، Y3 (Al، Ga) 5O12: Tb3+، وLaOBr: Tb3+. ومع تطور أجهزة التلفاز عالية الوضوح ذات الشاشات الكبيرة (HDTV)، يتم أيضًا تطوير مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الأداء لشاشات CRT. على سبيل المثال، تم تطوير مسحوق فلورسنت أخضر هجين في الخارج، يتكون من Y3 (Al، Ga) 5O12: Tb3+، LaOCl: Tb3+، وY2SiO5: Tb3+، والتي تتمتع بكفاءة تألق ممتازة عند كثافة تيار عالية.

مسحوق الفلورسنت التقليدي للأشعة السينية هو تنغستات الكالسيوم. في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، تم تطوير مساحيق الفلورسنت الأرضية النادرة لشاشات التوعية، مثلتيربيوم،أكسيد كبريتيد اللانثانم المنشط، وأكسيد بروميد اللانثانوم المنشط للتربيوم (للشاشات الخضراء)، وأكسيد كبريتيد الإيتريوم المنشط للتربيوم. بالمقارنة مع تنغستات الكالسيوم، فإن مسحوق الفلورسنت الأرضي النادر يمكنه تقليل وقت تشعيع الأشعة السينية للمرضى بنسبة 80%، وتحسين دقة أفلام الأشعة السينية، وإطالة عمر أنابيب الأشعة السينية، وتقليل استهلاك الطاقة. يستخدم التيربيوم أيضًا كمنشط لمسحوق الفلورسنت لشاشات تحسين الأشعة السينية الطبية، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير حساسية تحويل الأشعة السينية إلى صور بصرية، وتحسين وضوح أفلام الأشعة السينية، وتقليل جرعة التعرض للأشعة السينية بشكل كبير. الأشعة إلى جسم الإنسان (بنسبة تزيد عن 50%).

تيربيوميستخدم أيضًا كمنشط في فوسفور LED الأبيض المثار بالضوء الأزرق لإضاءة أشباه الموصلات الجديدة. يمكن استخدامه لإنتاج فوسفور كريستال مغناطيسي من الألومنيوم التيربيوم، باستخدام الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق كمصادر للضوء المثير، ويتم خلط الفلورة المتولدة مع ضوء الإثارة لإنتاج ضوء أبيض نقي.

تشتمل المواد الكهربية المصنوعة من التيربيوم بشكل أساسي على مسحوق الفلورسنت الأخضر مع كبريتيد الزنكتيربيومباعتباره المنشط. تحت الأشعة فوق البنفسجية، يمكن لمجمعات التيربيوم العضوية أن تنبعث منها مضان أخضر قوي ويمكن استخدامها كمواد رقيقة للإضاءة الكهربائية. على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في دراسةالأرض النادرةالأغشية الرقيقة المضيئة كهربائيًا المعقدة العضوية، لا تزال هناك فجوة معينة من التطبيق العملي، ولا تزال الأبحاث حول الأغشية الرقيقة والأجهزة العضوية المعقدة العضوية الأرضية النادرة متعمقة.

تُستخدم أيضًا خصائص مضان التيربيوم كتحقيقات مضان. تمت دراسة التفاعل بين مركب أوفلوكساسين تربيوم (Tb3+) والحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) باستخدام أطياف التألق والامتصاص، مثل مسبار مضان أوفلوكساسين تربيوم (Tb3+). أظهرت النتائج أن مسبار أوفلوكساسين Tb3 + يمكن أن يشكل أخدودًا مرتبطًا بجزيئات الحمض النووي، ويمكن للحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين أن يعزز بشكل كبير فلورة نظام أوفلوكساسين Tb3 +. وبناء على هذا التغيير يمكن تحديد حمض الديوكسي ريبونوكلييك.

للمواد الضوئية المغناطيسية

تُستخدم المواد ذات تأثير فاراداي، والمعروفة أيضًا بالمواد المغناطيسية الضوئية، على نطاق واسع في أجهزة الليزر والأجهزة البصرية الأخرى. هناك نوعان شائعان من المواد الضوئية المغناطيسية: بلورات مغناطيسية بصرية وزجاج بصري مغناطيسي. من بينها، تتمتع البلورات المغناطيسية الضوئية (مثل عقيق حديد الإيتريوم وعقيق تيربيوم الغاليوم) بمزايا تردد التشغيل القابل للتعديل والاستقرار الحراري العالي، ولكنها باهظة الثمن ويصعب تصنيعها. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع العديد من البلورات المغناطيسية الضوئية ذات زوايا دوران فاراداي العالية بامتصاص عالي في نطاق الموجات القصيرة، مما يحد من استخدامها. بالمقارنة مع البلورات المغناطيسية الضوئية، يتمتع الزجاج البصري المغناطيسي بميزة النفاذية العالية ومن السهل تحويله إلى كتل أو ألياف كبيرة. في الوقت الحاضر، النظارات المغناطيسية الضوئية ذات تأثير فاراداي العالي هي في الأساس نظارات مخدرة بالأيونات الأرضية النادرة.

تستخدم لمواد التخزين الضوئية المغناطيسية

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع للوسائط المتعددة وأتمتة المكاتب، تزايد الطلب على الأقراص المغناطيسية الجديدة ذات السعة العالية. تم استخدام الأغشية الرقيقة من سبائك معدن التيربيوم الانتقالية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية ضوئية عالية الأداء. من بينها، الفيلم الرقيق المصنوع من سبائك TbFeCo لديه أفضل أداء. تم إنتاج المواد المغناطيسية الضوئية القائمة على التيربيوم على نطاق واسع، وتستخدم الأقراص المغناطيسية الضوئية المصنوعة منها كمكونات تخزين للكمبيوتر، مع زيادة سعة التخزين بمقدار 10-15 مرة. فهي تتمتع بمزايا السعة الكبيرة وسرعة الوصول السريعة، ويمكن مسحها وتغليفها عشرات الآلاف من المرات عند استخدامها للأقراص الضوئية عالية الكثافة. وهي مواد مهمة في تكنولوجيا تخزين المعلومات الإلكترونية. المادة المغناطيسية الضوئية الأكثر استخدامًا في النطاقات المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء هي بلورة Terbium Gallium Garnet (TGG) المفردة، وهي أفضل مادة مغناطيسية بصرية لصنع دوارات وعوازل فاراداي.

للزجاج البصري المغناطيسي

يتمتع زجاج فاراداي المغناطيسي المغناطيسي بشفافية جيدة وتباين الخواص في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء، ويمكن أن يشكل أشكالًا معقدة مختلفة. من السهل إنتاج منتجات كبيرة الحجم ويمكن سحبها إلى الألياف الضوئية. ولذلك، فإن لديها آفاق تطبيق واسعة في الأجهزة الضوئية الممغنطة مثل العوازل الضوئية الممغنطة، والمعدلات الضوئية الممغنطة، وأجهزة استشعار تيار الألياف الضوئية. نظرًا للعزم المغناطيسي الكبير ومعامل الامتصاص الصغير في النطاق المرئي والأشعة تحت الحمراء، أصبحت أيونات Tb3+ أيونات أرضية نادرة شائعة الاستخدام في النظارات البصرية المغناطيسية.

تيربيوم ديسبروسيوم سبيكة حديدية مقيدة للمغناطيسية

في نهاية القرن العشرين، ومع التعمق المستمر للثورة التكنولوجية العالمية، ظهرت بسرعة مواد جديدة لتطبيقات الأتربة النادرة. في عام 1984، تعاونت جامعة ولاية آيوا، ومختبر أميس التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، ومركز أبحاث الأسلحة السطحية التابع للبحرية الأمريكية (الذي جاء منه الموظفون الرئيسيون في شركة Edge Technology Corporation (ET REMA) التي تم إنشاؤها لاحقًا) لتطوير سلاح جديد نادر. مادة الأرض الذكية، وهي مادة التيربيوم الديسبروسيوم المغناطيسية المغناطيسية. تتميز هذه المادة الذكية الجديدة بخصائص ممتازة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية بسرعة. تم بنجاح تكوين محولات الطاقة تحت الماء والكهربائية الصوتية المصنوعة من هذه المادة العملاقة ذات التأثير المغناطيسي في المعدات البحرية، ومكبرات الصوت للكشف عن آبار النفط، وأنظمة التحكم في الضوضاء والاهتزازات، واستكشاف المحيطات وأنظمة الاتصالات تحت الأرض. لذلك، بمجرد ظهور مادة التقبيق المغناطيسي العملاقة التيربيوم ديسبروسيوم الحديد، حظيت باهتمام واسع النطاق من الدول الصناعية حول العالم. بدأت شركة Edge Technologies في الولايات المتحدة في إنتاج مواد التقبيق المغناطيسي العملاقة لديسبروسيوم حديد التيربيوم في عام 1989 وأطلقت عليها اسم Terfenol D. وفي وقت لاحق، طورت السويد واليابان وروسيا والمملكة المتحدة وأستراليا أيضًا مواد تقبُّض مغناطيسي عملاقة لديسبروسيوم حديد التربيوم.

من تاريخ تطور هذه المادة في الولايات المتحدة، يرتبط اختراع المادة وتطبيقاتها الاحتكارية المبكرة ارتباطًا مباشرًا بالصناعة العسكرية (مثل البحرية). على الرغم من أن الإدارات العسكرية والدفاعية الصينية تعمل تدريجياً على تعزيز فهمها لهذه المواد. ومع ذلك، مع التعزيز الكبير للقوة الوطنية الشاملة للصين، فإن الطلب على تحقيق استراتيجية تنافسية عسكرية للقرن الحادي والعشرين وتحسين مستويات المعدات سيكون بالتأكيد أمرًا ملحًا للغاية. ولذلك، فإن الاستخدام الواسع النطاق لمواد التقبب المغناطيسي العملاقة للديسبروسيوم الحديدي من قبل إدارات الدفاع العسكرية والوطنية سيكون ضرورة تاريخية.

باختصار، العديد من الخصائص الممتازة لتيربيوممما جعله عضوًا لا غنى عنه في العديد من المواد الوظيفية ومكانة لا يمكن الاستغناء عنها في بعض مجالات التطبيق. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع سعر التيربيوم، كان الناس يدرسون كيفية تجنب استخدام التيربيوم وتقليله من أجل تقليل تكاليف الإنتاج. على سبيل المثال، يجب أن تستخدم المواد الأرضية المغناطيسية الضوئية النادرة أيضًا تكلفة منخفضةحديد الديسبروسيومالكوبالت أو الجادولينيوم تيربيوم الكوبالت قدر الإمكان؛ حاول تقليل محتوى التيربيوم في مسحوق الفلورسنت الأخضر الذي يجب استخدامه. أصبح السعر عاملا هاما يقيد الاستخدام على نطاق واسعتيربيوم. لكن العديد من المواد الوظيفية لا يمكن الاستغناء عنها، لذلك علينا الالتزام بمبدأ “استخدام الفولاذ الجيد على الشفرة” ومحاولة توفير استخدامتيربيومقدر الإمكان.