عنصر الأرض النادرة السحري: الإيتربيوم

الإيتربيومالعدد الذري 70، الوزن الذري 173.04، اسم العنصر مشتق من موقع اكتشافه. تبلغ نسبة الإيتربيوم في القشرة الأرضية 0.000266%، ويوجد بشكل رئيسي في رواسب الفوسفوريت والذهب الأسود النادر. تبلغ نسبة الإيتربيوم في المونازيت 0.03%، وله سبعة نظائر طبيعية.

تم اكتشافه

بقلم: ماريناك

الوقت: 1878

الموقع: سويسرا

في عام ١٨٧٨، اكتشف الكيميائيان السويسريان جان تشارلز وج. مارينياك عنصرًا أرضيًا نادرًا جديدًا في "الإربيوم". وفي عام ١٩٠٧، أشار أولبان وويلز إلى أن مارينياك فصل خليطًا من أكسيد اللوتيتيوم وأكسيد الإيتربيوم. وتخليدًا لذكرى قرية صغيرة تُدعى يتربي قرب ستوكهولم، حيث اكتُشف خام الإيتربيوم، سُمي هذا العنصر الجديد الإيتربيوم بالرمز Yb.

التوزيع الإلكتروني

التوزيع الإلكتروني
1س2 2س2 2ب6 3س2 3ب6 4س2 3د10 4ب6 5س2 4د10 5ب6 6س2 4ف14

معدن

الإيتربيوم المعدني لونه رمادي فضي، مطيل، وله ملمس ناعم. في درجة حرارة الغرفة، يتأكسد الإيتربيوم ببطء بواسطة الهواء والماء.

هناك بنيتان بلوريّتان: α- وهو نظام بلوري مكعب مركزه الوجه (درجة حرارة الغرفة -٧٩٨ درجة مئوية)؛ β- وهو شبكة مكعب مركزها الجسم (أعلى من ٧٩٨ درجة مئوية). درجة الانصهار ٨٢٤ درجة مئوية، درجة الغليان ١٤٢٧ درجة مئوية، الكثافة النسبية ٦.٩٧٧ (α- نوع)، ٦.٥٤ (β- نوع).

لا يذوب في الماء البارد، ويذوب في الأحماض والأمونيا السائلة. وهو مستقر تمامًا في الهواء. ومثل الساماريوم واليوروبيوم، ينتمي الإيتربيوم إلى العناصر الأرضية النادرة متغيرة التكافؤ، ويمكن أن يكون في حالة ثنائية التكافؤ موجبة، بالإضافة إلى كونه عادةً ثلاثي التكافؤ.

نظرًا لاختلاف خاصية التكافؤ، لا ينبغي تحضير الإيتربيوم المعدني بالتحليل الكهربائي، بل بطريقة التقطير الاختزالي للتحضير والتنقية. عادةً، يُستخدم معدن اللانثانوم كعامل اختزال في التقطير الاختزالي، مستفيدًا من الفرق بين ضغط بخار معدن الإيتربيوم المرتفع وضغط بخار معدن اللانثانوم المنخفض. كبديل،الثوليوم، الإيتربيوم، واللوتيتيوميمكن استخدام المركزات كمواد خام، واللانثانوم المعدنييمكن استخدامه كعامل اختزال. في ظروف فراغ عالية الحرارة (أكثر من 1100 درجة مئوية وضغط أقل من 0.133 باسكال)، يمكن استخلاص معدن الإيتربيوم مباشرةً عن طريق التقطير الاختزالي. وكما هو الحال مع الساماريوم واليوروبيوم، يمكن فصل الإيتربيوم وتنقيته عن طريق الاختزال الرطب. عادةً ما تُستخدم مُركّزات الثوليوم والإيتربيوم واللوتيتيوم كمواد خام. بعد الذوبان، يُختزل الإيتربيوم إلى حالة ثنائية التكافؤ، مما يُسبب اختلافات كبيرة في خصائصه، ثم يُفصل عن العناصر الأرضية النادرة ثلاثية التكافؤ الأخرى. إنتاج معادن عالية النقاءأكسيد الإيتربيوميتم عادة عن طريق استخلاص الكروماتوغرافيا أو طريقة التبادل الأيوني.

طلب

تُستخدم في تصنيع سبائك خاصة. استُخدمت سبائك الإيتربيوم في طب الأسنان لإجراء تجارب معدنية وكيميائية.

في السنوات الأخيرة، ظهر الإيتربيوم وتطور بسرعة في مجالات الاتصالات بالألياف البصرية وتكنولوجيا الليزر.

مع بناء وتطوير "طريق المعلومات السريع"، ازدادت متطلبات أداء مواد الألياف البصرية المستخدمة في الاتصالات البصرية لشبكات الحاسوب وأنظمة نقل الألياف الضوئية طويلة المدى. يمكن استخدام أيونات الإيتربيوم، بفضل خصائصها الطيفية الممتازة، كمواد لتضخيم الألياف في الاتصالات البصرية، تمامًا مثل الإربيوم والثوليوم. على الرغم من أن الإربيوم، عنصر الأرض النادر، لا يزال العنصر الرئيسي في تحضير مضخمات الألياف، إلا أن ألياف الكوارتز التقليدية المُشَوَّبَة بالإربيوم لها نطاق ترددي صغير (30 نانومتر)، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات نقل المعلومات عالي السرعة والسعة. تتميز أيونات Yb3+ بمقطع امتصاص أكبر بكثير من أيونات Er3+، حوالي 980 نانومتر. من خلال تأثير التحسس لـ Yb3+ ونقل طاقة الإربيوم والإيتربيوم، يمكن تحسين الضوء بطول موجي 1530 نانومتر بشكل كبير، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة تضخيم الضوء.

في السنوات الأخيرة، ازداد إقبال الباحثين على زجاج الفوسفات المُشبَّع بالإربيوم والإيتربيوم. يتميز زجاج الفوسفات والفلوروفوسفات بثبات كيميائي وحراري جيد، بالإضافة إلى نفاذية واسعة للأشعة تحت الحمراء وخصائص تمدد غير منتظمة كبيرة، مما يجعله مواد مثالية لألياف الزجاج المُضخِّمة عالية الكسب وذات النطاق العريض والمُشبَّعة بالإربيوم. تستطيع مُضخِّمات الألياف المُشبَّعة بـ Yb3+ تحقيق تضخيم الطاقة وتضخيم الإشارات الصغيرة، مما يجعلها مناسبة لمجالات مثل مستشعرات الألياف الضوئية، واتصالات الليزر في الفضاء الحر، وتضخيم النبضات فائقة القصر. شيَّدت الصين حاليًا أكبر نظام نقل ضوئي أحادي القناة وأسرعه في العالم، ولديها أوسع طريق سريع للمعلومات في العالم. تلعب مُضخِّمات الألياف المُشبَّعة بالإيتربيوم وغيرها من مُضخِّمات الألياف المُشبَّعة بالعناصر الأرضية النادرة، بالإضافة إلى مواد الليزر، دورًا حاسمًا وهامًا في هذا المجال.

تُستخدم الخصائص الطيفية للإيتربيوم أيضًا كمواد ليزر عالية الجودة، سواءً كبلورات ليزر، أو زجاج ليزر، أو ليزرات ألياف. وباعتباره مادة ليزر عالية الطاقة، شكّلت بلورات الليزر المُشَوَّبة بالإيتربيوم سلسلةً واسعةً من بلورات الليزر، بما في ذلك عقيق ألومنيوم الإيتريوم المُشَوَّب بالإيتربيوم (Yb: YAG)، وعقيق غاليوم الغادولينيوم المُشَوَّب بالإيتربيوم (Yb: GGG)، وفلوروفوسفات الكالسيوم المُشَوَّب بالإيتربيوم (Yb: FAP)، وفلوروفوسفات السترونشيوم المُشَوَّب بالإيتربيوم (Yb: S-FAP)، وفانادات الإيتريوم المُشَوَّبة بالإيتربيوم (Yb: YV04)، وبورات الإيتربيوم المُشَوَّبة، والسيليكات. يُعدّ ليزر أشباه الموصلات (LD) نوعًا جديدًا من مصادر الضخ لليزرات الحالة الصلبة. يتميز ليزر Yb: YAG بالعديد من الخصائص المناسبة لضخّ الليزر عالي الطاقة، وقد أصبح مادة ليزرية مُستخدمة في هذا النوع من الضخ. Yb: قد تُستخدم بلورة S-FAP كمواد ليزر للاندماج النووي بالليزر في المستقبل، الأمر الذي جذب انتباه الناس. تحتوي بلورات الليزر القابلة للضبط على الكروم والإيتربيوم والهولميوم والإتريوم والألومنيوم والغاليوم (Cr، Yb، Ho: YAGG) بأطوال موجية تتراوح من 2.84 إلى 3.05 ميكرومتر قابلة للتعديل باستمرار بين متر. ووفقًا للإحصاءات، فإن معظم الرؤوس الحربية بالأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الصواريخ حول العالم تستخدم 3-5 ميكرومتر. لذلك، فإن تطوير ليزر Cr وYb وHo: YSGG يمكن أن يوفر تداخلًا فعالًا لإجراءات مضادة للأسلحة الموجهة بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وله أهمية عسكرية مهمة. حققت الصين سلسلة من النتائج المبتكرة بمستوى متقدم دوليًا في مجال بلورات الليزر المخدرة بالإيتربيوم (Yb: YAG، Yb: FAP، Yb: SFAP، إلخ)، مما أدى إلى حل التقنيات الرئيسية مثل نمو البلورات وسرعة الليزر والنبض والمستمر والإخراج القابل للتعديل. تم تطبيق نتائج البحث في الدفاع الوطني والصناعة والهندسة العلمية، وتم تصدير منتجات الكريستال المخصبة بالإيتربيوم إلى العديد من البلدان والمناطق مثل الولايات المتحدة واليابان.

فئة رئيسية أخرى من مواد ليزر الإيتربيوم هي زجاج الليزر. طُوّرت أنواع مختلفة من زجاج الليزر عالي الانبعاث ذي المقطع العرضي، بما في ذلك تيلورايت الجرمانيوم، ونيوبات السيليكون، والبورات، والفوسفات. بفضل سهولة تشكيل الزجاج، يُمكن تصنيعه بأحجام كبيرة، ويتميز بخصائص مثل نفاذية الضوء العالية والتجانس العالي، مما يُتيح إنتاج ليزر عالي الطاقة. كان زجاج ليزر العناصر الأرضية النادرة الشائع يتكون أساسًا من زجاج النيوديميوم، الذي يتمتع بتاريخ تطوير يمتد لأكثر من 40 عامًا وتكنولوجيا إنتاج وتطبيق ناضجة. لطالما كان المادة المفضلة لأجهزة الليزر عالية الطاقة، وقد استُخدم في الأجهزة التجريبية للاندماج النووي وأسلحة الليزر. وصلت أجهزة الليزر عالية الطاقة المُصنّعة في الصين، والمكونة من زجاج النيوديميوم الليزري كوسيط ليزر رئيسي، إلى مستوى متقدم عالميًا. لكن زجاج النيوديميوم الليزري يواجه الآن تحديًا قويًا من زجاج الإيتربيوم الليزري.

في السنوات الأخيرة، أظهر عدد كبير من الدراسات أن زجاج الإيتربيوم بالليزر يتفوق في العديد من خصائصه على زجاج النيوديميوم. ونظرًا لأن التلألؤ المضاف إليه الإيتربيوم يحتوي على مستويين فقط من الطاقة، فإن كفاءة تخزين الطاقة عالية. وفي الوقت نفسه، يتمتع زجاج الإيتربيوم بكفاءة تخزين طاقة أعلى بستة عشر ضعفًا من زجاج النيوديميوم، وعمر فلوري أعلى بثلاثة أضعاف من زجاج النيوديميوم. كما يتميز بمزايا مثل تركيز التطعيم العالي، وعرض نطاق الامتصاص، وإمكانية ضخه مباشرةً بواسطة أشباه الموصلات، مما يجعله مناسبًا جدًا لليزر عالي الطاقة. ومع ذلك، يعتمد التطبيق العملي لزجاج ليزر الإيتربيوم غالبًا على مساعدة النيوديميوم، مثل استخدام Nd3+ كمحسس لجعل زجاج ليزر الإيتربيوم يعمل في درجة حرارة الغرفة، ويتم تحقيق انبعاث ليزر μ عند طول موجة m. لذا، يُعد الإيتربيوم والنيوديميوم متنافسين وشركاء تعاونيين في مجال زجاج الليزر.

من خلال تعديل تركيبة الزجاج، يُمكن تحسين العديد من خصائص التوهج لزجاج ليزر الإيتربيوم. ومع تطور الليزر عالي الطاقة كتوجه رئيسي، يزداد استخدام الليزر المصنوع من زجاج ليزر الإيتربيوم على نطاق واسع في الصناعات الحديثة والزراعة والطب والبحث العلمي والتطبيقات العسكرية.

الاستخدام العسكري: لطالما كان استخدام الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي كطاقة هدفًا متوقعًا، وسيُمثل تحقيق اندماج نووي مُتحكم فيه وسيلةً مهمةً للبشرية لحل مشاكل الطاقة. يُصبح زجاج الليزر المُضاف إليه الإيتربيوم المادة المُفضلة لتحقيق ترقيات الاندماج بالاحتجاز بالقصور الذاتي (ICF) في القرن الحادي والعشرين، وذلك بفضل أدائه الليزري الممتاز.

تستخدم أسلحة الليزر الطاقة الهائلة لشعاع الليزر لضرب الأهداف وتدميرها، مُولِّدةً درجات حرارة تصل إلى مليارات الدرجات المئوية، ومهاجمةً مباشرةً بسرعة الضوء. تُعرف هذه الأسلحة باسم "نادانا"، وتتميز بقدرة فتك عالية، وهي مناسبة بشكل خاص لأنظمة أسلحة الدفاع الجوي الحديثة في الحروب. وقد جعل الأداء الممتاز لزجاج الليزر المُشبَّع بالإيتربيوم منه مادةً أساسيةً مهمةً لتصنيع أسلحة الليزر عالية القدرة والأداء.

ليزر الألياف تقنية جديدة سريعة التطور، وتنتمي أيضًا إلى مجال تطبيقات زجاج الليزر. ليزر الألياف هو ليزر يستخدم الألياف كوسيط ليزر، وهو نتاج دمج تقنيتي الألياف والليزر. إنها تقنية ليزر جديدة طُوّرت على أساس تقنية مُضخّم الألياف المُشبّع بالإربيوم (EDFA). يتكون ليزر الألياف من صمام ثنائي ليزر أشباه الموصلات كمصدر للمضخة، ودليل موجي للألياف البصرية، ووسيط كسب، ومكونات بصرية مثل الألياف الشبكية والمُقارنات. لا يتطلب تعديلًا ميكانيكيًا للمسار الضوئي، وآلية عمله مدمجة وسهلة التكامل. بالمقارنة مع ليزرات الحالة الصلبة التقليدية وليزر أشباه الموصلات، يتميز ليزر الألياف بمزايا تكنولوجية وأداء عالية، مثل جودة شعاع عالية، وثبات جيد، ومقاومة قوية للتداخل البيئي، وعدم الحاجة إلى تعديل أو صيانة، وهيكل مدمج. نظرًا لحقيقة أن الأيونات المخدرة هي في الأساس Nd + 3 و Yb + 3 و Er + 3 و Tm + 3 و Ho + 3، والتي تستخدم جميعها أليافًا أرضية نادرة كوسيط كسب، يمكن أيضًا تسمية ليزر الألياف الذي طورته الشركة باسم ليزر ألياف أرضية نادرة.

تطبيقات الليزر: أصبح ليزر الألياف مزدوج الغلاف عالي الطاقة، المُشَوَّب بالإيتربيوم، مجالاً رائجاً في تكنولوجيا ليزر الحالة الصلبة دولياً في السنوات الأخيرة. يتميز بجودة شعاعه العالية، وبنيته المدمجة، وكفاءة تحويله العالية، وإمكانات تطبيقه الواسعة في المعالجة الصناعية وغيرها من المجالات. تُناسب ألياف الإيتربيوم مزدوجة الغلاف المُشَوَّبة ضخ ليزر أشباه الموصلات، بكفاءة اقتران عالية وقوة خرج ليزر عالية، وهي الاتجاه الرئيسي لتطوير ألياف الإيتربيوم. لم تعد تكنولوجيا ألياف الإيتربيوم مزدوجة الغلاف الصينية مُضاهيةً للمستوى المتقدم للدول الأجنبية. وصلت ألياف الإيتربيوم، وألياف الإيتربيوم مزدوجة الغلاف المُشَوَّبة بالإيتربيوم، وألياف الإربيوم والإيتربيوم المُشَوَّبة بالإربيوم المُشَوَّبة بالإيتربيوم المُطَوَّرة في الصين إلى مستوى متقدم من المنتجات الأجنبية المماثلة من حيث الأداء والموثوقية، وتتميز بمزايا التكلفة، وتحتوي على تقنيات أساسية حاصلة على براءات اختراع لمنتجات وطرق متعددة.

أعلنت شركة IPG الألمانية الرائدة عالميًا في مجال الليزر مؤخرًا أن نظام ليزر الألياف المُشَبَّع بالإيتربيوم الذي أطلقته حديثًا يتميز بخصائص شعاع ممتازة، وعمر تشغيلي للمضخة يزيد عن 50,000 ساعة، وطول موجة انبعاث مركزي يتراوح بين 1070 و1080 نانومتر، وطاقة خرج تصل إلى 20 كيلوواط. وقد استُخدم هذا النظام في اللحام الدقيق والقطع وحفر الصخور.

تُعدّ مواد الليزر جوهرَ وأساسَ تطوير تكنولوجيا الليزر. لطالما سادت مقولةٌ في صناعة الليزر مفادها "جيلٌ من المواد، جيلٌ من الأجهزة". ولتطوير أجهزة ليزر متطورة وعملية، لا بدّ من امتلاك مواد ليزر عالية الأداء ودمج التقنيات الأخرى ذات الصلة. تُعزز بلورات الليزر المُشبّعة بالإيتربيوم وزجاج الليزر، باعتبارها القوة الجديدة لمواد الليزر الصلبة، التطويرَ المبتكر لاتصالات الألياف الضوئية وتكنولوجيا الليزر، لا سيما في تقنيات الليزر المتطورة، مثل ليزر الاندماج النووي عالي الطاقة، وليزر البلاط النبضي عالي الطاقة، وليزر الأسلحة عالي الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الإيتربيوم أيضًا كمنشط مسحوق فلوري، وفي سيراميك الراديو، وكمضافات لمكونات ذاكرة الحاسوب الإلكترونية (الفقاعات المغناطيسية)، ومضافات للزجاج البصري. تجدر الإشارة إلى أن الإيتربيوم والإيتربيوم كلاهما من العناصر الأرضية النادرة. على الرغم من وجود اختلافات كبيرة في أسماء العناصر الإنجليزية ورموزها، إلا أن الأبجدية الصوتية الصينية تشترك في نفس المقاطع. في بعض الترجمات الصينية، يُشار أحيانًا إلى الإيتربيوم خطأً باسم الإيتربيوم. في هذه الحالة، نحتاج إلى تتبع النص الأصلي ودمج رموز العناصر للتأكد.