العنصر الأرضي النادر السحري: التيربيوم

تيربيومينتمي إلى فئة الثقيلةالأتربة النادرة، مع وفرة منخفضة في القشرة الأرضية تبلغ 1.1 جزء في المليون فقط.يمثل أكسيد التيربيوم أقل من 0.01% من إجمالي الأتربة النادرة.حتى في خامات الأرض النادرة الثقيلة من نوع أيون الإيتريوم والتي تحتوي على أعلى محتوى من التيربيوم، فإن محتوى التيربيوم يمثل فقط 1.1-1.2% من إجمالي الأتربة النادرة، مما يشير إلى أنه ينتمي إلى الفئة "النبيلة" من العناصر الأرضية النادرة.لأكثر من 100 عام منذ اكتشاف التيربيوم عام 1843، حالت ندرته وقيمته دون تطبيقه العملي لفترة طويلة.فقط في الثلاثين سنة الماضية أظهر التيربيوم موهبته الفريدة.

اكتشاف التاريخ

اكتشف الكيميائي السويدي كارل غوستاف موساندر التيربيوم في عام 1843. وقد وجد شوائبه فيأكسيد الإيتريوم (III).وY2O3.الإيتريوم سمي على اسم قرية يتربي في السويد.قبل ظهور تكنولوجيا التبادل الأيوني، لم يتم عزل التيربيوم في شكله النقي.

قام موسانت أولاً بتقسيم أكسيد الإيتريوم (III) إلى ثلاثة أجزاء، سُميت جميعها على اسم الخامات: أكسيد الإيتريوم (III)،أكسيد الإربيوم (III).وأكسيد التيربيوم.كان أكسيد التيربيوم يتكون في الأصل من جزء وردي اللون، وذلك بسبب العنصر المعروف الآن باسم الإربيوم."أكسيد الإربيوم (III)" (بما في ذلك ما نسميه الآن التيربيوم) كان في الأصل الجزء عديم اللون في المحلول.يعتبر الأكسيد غير القابل للذوبان لهذا العنصر بنيًا.

بالكاد تمكن العمال اللاحقون من ملاحظة "أكسيد الإربيوم (III) الصغير عديم اللون"، لكن الجزء الوردي القابل للذوبان لم يكن من الممكن تجاهله.نشأت المناقشات حول وجود أكسيد الإربيوم (III) بشكل متكرر.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 ثنائي كبريتات الصوديوم أو كبريتات البوتاسيوم يأخذونأكسيد السيريوم (الرابع).من أكسيد الإيتريوم (III) ويحول التيربيوم عن غير قصد إلى رواسب تحتوي على السيريوم.حوالي 1% فقط من أكسيد الإيتريوم (III) الأصلي، المعروف الآن باسم "التيربيوم"، يكفي لتمرير اللون الأصفر إلى أكسيد الإيتريوم (III).ولذلك، فإن التيربيوم هو مكون ثانوي يحتوي عليه في البداية، ويتم التحكم فيه من قبل جيرانه المباشرين، الجادولينيوم والديسبروسيوم.

وبعد ذلك، كلما تم فصل عناصر أرضية نادرة أخرى من هذا الخليط، بغض النظر عن نسبة الأكسيد، يتم الاحتفاظ باسم التربيوم حتى يتم الحصول في النهاية على أكسيد التربيوم البني 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.
التوزيع الإلكترون

التوزيع الإلكترون:

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

التكوين الإلكتروني للتربيوم هو [Xe] 6s24f9.عادة، يمكن إزالة ثلاثة إلكترونات فقط قبل أن تصبح الشحنة النووية كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تأينها بشكل أكبر، ولكن في حالة التربيوم، يسمح التربيوم شبه المملوء بالتأين الإضافي للإلكترون الرابع في وجود مؤكسدات قوية جدًا مثل غاز الفلور.

معدن التيربيوم

التيربيوم هو معدن ترابي نادر أبيض فضي، يتميز بالليونة والصلابة والنعومة التي يمكن قطعها بالسكين.نقطة الانصهار 1360 درجة مئوية، نقطة الغليان 3123 درجة مئوية، الكثافة 8229 4 كجم/م3.بالمقارنة مع اللانثانيدات المبكرة، فهو مستقر نسبيًا في الهواء.باعتباره العنصر التاسع في اللانثانيدات، فإن التيربيوم معدن ذو كهرباء قوية.يتفاعل مع الماء لتكوين الهيدروجين .

في الطبيعة، لم يتم العثور على التيربيوم على أنه عنصر حر، حيث توجد كمية صغيرة منه في رمل الفوسفوسيريوم والثوريوم والجادولينيت.يتواجد التيربيوم مع عناصر أرضية نادرة أخرى في رمل المونازيت، بمحتوى تربيوم يبلغ 0.03% بشكل عام.المصادر الأخرى هي خامات Xenotime وخامات الذهب الأسود النادر، وكلاهما عبارة عن خليط من الأكاسيد ويحتوي على ما يصل إلى 1٪ من التيربيوم.

طلب

يتضمن تطبيق التيربيوم في الغالب مجالات التكنولوجيا الفائقة، والتي تتطلب مشاريع متطورة كثيفة التكنولوجيا والمعرفة، بالإضافة إلى 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.والتيربيوم 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 الانتقالي غير المتبلور لتصنيع أقراص مغناطيسية بصرية عالية الأداء.

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

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

للزراعة وتربية الحيوانات

يمكن للتربيوم الأرضي النادر أن يحسن جودة المحاصيل ويزيد من معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز معين.تمتلك مجمعات التيربيوم نشاطًا بيولوجيًا عاليًا.تتمتع المجمعات الثلاثية من التيربيوم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O، بتأثيرات جيدة مضادة للجراثيم ومبيدة للجراثيم على المكورات العنقودية الذهبية، Bacillus subtilis وEscherichia coli.لديهم طيف واسع مضاد للجراثيم.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 على الإيتريوم واليوروبيوم، فقد تم تعزيز تطبيق وتطوير التيربيوم بواسطة مسحوق الفلورسنت الأخضر الأساسي ثلاثي الألوان للمصابيح.في أوائل الثمانينيات، اخترعت شركة Philips أول مصباح فلورسنت مدمج موفر للطاقة في العالم وسرعان ما روجت له عالميًا.يمكن لأيونات Tb3+ أن تبعث ضوءًا أخضر بطول موجة يبلغ 545 نانومتر، وتستخدم جميع الفوسفورات الخضراء الأرضية النادرة تقريبًا التيربيوم كمنشط.

كان الفوسفور الأخضر لأنبوب أشعة الكاثود للتلفزيون الملون (CRT) دائمًا يعتمد على كبريتيد الزنك، وهو رخيص الثمن وفعال، ولكن مسحوق التيربيوم تم استخدامه دائمًا كالفوسفور الأخضر للتلفزيون الملون المعروض، بما في ذلك Y2SiO5 ∶ Tb3+، Y3 ( Al، Ga) 5O12 ∶ Tb3+ و LaOBr ∶ 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 الفوسفورات الأرضية النادرة لتكثيف الشاشات، مثل أكسيد اللانثانم الكبريتي المنشط للتربيوم، وأكسيد اللانثانم البروم المنشط للتربيوم (للشاشات الخضراء)، وأكسيد الإيتريوم (III) الكبريت المنشط، وما إلى ذلك. بالمقارنة مع تنغستات الكالسيوم، يمكن لمسحوق الفلورسنت الأرضي النادر 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%).

يستخدم التيربيوم 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 المتألقة كهربائيًا المصنوعة من التيربيوم بشكل أساسي على الفوسفور الأخضر من كبريتيد الزنك مع التيربيوم كمنشط.تحت الأشعة فوق البنفسجية، يمكن لمجمعات التيربيوم العضوية أن تنبعث منها مضان أخضر قوي ويمكن استخدامها كمواد رقيقة للإضاءة الكهربائية.على الرغم من إحراز تقدم كبير في دراسة الأغشية الرقيقة المضيئة كهربائيًا المعقدة العضوية الأرضية النادرة، إلا أنه 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.على سبيل المثال، تم استخدام مسبار مضان Ofloxacin terbium (Tb3+) لدراسة التفاعل بين مركب Ofloxacin terbium (Tb3+) والحمض النووي (DNA) بواسطة طيف الفلورة وطيف الامتصاص، مما يشير إلى أن مسبار Ofloxacin Tb3+ يمكن أن يشكل رابطًا أخدودًا مع جزيئات DNA، والحمض النووي يمكن أن يعزز بشكل كبير مضان نظام Ofloxacin Tb3 +.وعلى أساس هذا التغيير يمكن تحديد الحمض النووي.

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 الإيتريوم الحديدي وعقيق تيربيوم الغاليوم) بمزايا تردد التشغيل القابل للتعديل والثبات الحراري العالي، ولكنها باهظة الثمن ويصعب تصنيعها.بالإضافة إلى ذلك، تتمتع العديد من البلورات المغناطيسية الضوئية ذات زاوية 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 أغشية سبائك معدن التيربيوم الانتقالية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية بصرية 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 تعمق الثورة العلمية والتكنولوجية العالمية، بدأت المواد التطبيقية الأرضية النادرة الجديدة في الظهور بسرعة.في عام 1984، جاءت جامعة ولاية أيوا بالولايات المتحدة، ومختبر أميس التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بالولايات المتحدة، ومركز أبحاث الأسلحة السطحية التابع للبحرية الأمريكية (الموظفون الرئيسيون في شركة American Edge Technology التي تم إنشاؤها لاحقًا (ET REMA) من قام المركز) بتطوير مادة ذكية أرضية نادرة جديدة، وهي مادة التقبيق المغناطيسي العملاقة للحديد تيربيوم ديسبروسيوم.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، بعد زيادة القوة الوطنية الشاملة للصين بشكل كبير، فإن متطلبات تحقيق الإستراتيجية التنافسية العسكرية في القرن الحادي والعشرين وتحسين مستوى المعدات ستكون بالتأكيد ملحة للغاية.ولذلك، فإن الاستخدام الواسع النطاق لمواد التقبب المغناطيسي العملاقة للديسبروسيوم الحديدي من قبل إدارات الدفاع العسكرية والوطنية سيكون ضرورة تاريخية.

باختصار، فإن الخصائص العديدة الممتازة للتربيوم تجعله 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 أيضًا أن تستخدم المواد الأرضية المغناطيسية الضوئية النادرة كوبالت حديد الديسبروسيوم أو كوبالت الجادولينيوم تيربيوم منخفض التكلفة قدر الإمكان؛حاول تقليل محتوى التيربيوم في مسحوق الفلورسنت الأخضر الذي يجب استخدامه.أصبح السعر عاملاً مهمًا يقيد الاستخدام الواسع النطاق للتربيوم.لكن العديد من المواد الوظيفية لا يمكن الاستغناء عنها، لذلك علينا الالتزام بمبدأ “استخدام الفولاذ الجيد على الشفرة” ومحاولة توفير استخدام التيربيوم قدر الإمكان.