Ми покладаємося на рідкоземельні елементи для забарвлення екранів смартфонів, сигналізації автентичності євробанкнот та передачі сигналів через волоконно-оптичні кабелі на морському дні. Вони також є незамінними для створення одних із найсильніших і найнадійніших магнітів у світі. Вони генерують звукові хвилі у ваших навушниках, посилюють цифрову інформацію у космосі та змінюють траєкторії теплових ракет. Крім того, рідкоземельні елементи сприяють розвитку "зелених" технологій, таких як вітрова енергія та електромобілі, а також можуть стати основою нових компонентів для квантових комп’ютерів.
«Цей список можна продовжувати безкінечно», — каже Стівен Бойд, синтетичний хімік і незалежний консультант. «Вони всюди».
Суперсили рідкоземельних елементів заховані в їхніх електронах
Рідкоземельні елементи — це лантаноїди (лютецій і всі 14 елементів від лантану до ітербію в одному ряду періодичної таблиці), а також скандій і ітрій, які часто зустрічаються в одних і тих самих рудних родовищах і мають подібні хімічні властивості до лантаноїдів. Ці метали сірого чи сріблястого кольору часто є пластичними, з високими температурами плавлення і кипіння.
Їхні приховані сили заховані в електронах. Усі атоми мають ядро, оточене електронами, які займають зони, названі орбіталями. Електрони на найвіддаленіших орбіталях від ядра називаються валентними і беруть участь у хімічних реакціях, формуючи зв’язки з іншими атомами.
Більшість лантаноїдів мають ще один важливий набір електронів, так звані «f-електрони», які розташовані в «золотій зоні» — недалеко від валентних електронів, але трохи ближче до ядра. «Саме ці f-електрони відповідають за магнітні та люмінесцентні властивості рідкоземельних елементів», — пояснює Ана де Беттенкур-Діас, хімік з Університету Невади в Ріно.
Місце у періодичній таблиці
Рідкоземельні елементи — це група з 17 елементів (виділених синім кольором у періодичній таблиці). Підгрупа рідкоземельних елементів, відома як лантаноїди (лютецій, Lu, та ряд, що починається з лантану, La), містить підрівень, який зазвичай заповнений f-електронами, що надають цим елементам магнітні та люмінесцентні властивості.
Рідкоземельні елементи додають кольору та світла
Подібно до того, як біолюмінесцентний планктон світиться у хвилях, рідкоземельні метали випромінюють світло при стимуляції. Учені можуть збудити f-електрони за допомогою лазера або лампи, що змушує їх переходити у збуджений стан. Коли електрони повертаються до свого основного стану, вони випромінюють світло з точними довжинами хвиль.
Ця точність дозволяє інженерам точно налаштовувати електромагнітне випромінювання для електроніки. Наприклад, тербій випромінює світло з довжиною хвилі близько 545 нанометрів, що підходить для створення зелених фосфорів у екранах телевізорів і смартфонів. Європій використовується для створення червоних і синіх фосфорів.
Рідкоземельні елементи також випромінюють невидиме світло, корисне в різних технологіях. Наприклад, ітрій є ключовим компонентом у синтетичному кристалі YAG, який використовується в лазерах високої потужності.
Подивіться, як європій у волокнах, вбудованих у банкноту євро, флуоресціює під ультрафіолетовим світлом. Ультрафіолетове світло збуджує f-електрони європію, які потім повертаються в свій основний стан і при цьому випускають фотони видимого світла.
Рідкоземельні елементи створюють потужні магніти
Завдяки своїм унікальним f-електронам рідкоземельні елементи формують потужні магніти. Наприклад, магніти з неодим-залізо-бору можуть підіймати вантажі, які у 100 разів перевищують їхню власну вагу. Ці магніти використовуються в електромобілях, турбінах і навіть у космічних технологіях.
Перспективи
У майбутньому рідкоземельні елементи можуть сприяти розвитку квантових комп’ютерів і створенню квантового інтернету. Завдяки своїм унікальним властивостям ці метали залишаються критично важливими для зростання сучасних і майбутніх технологій.
Хоча точно передбачити, як ці елементи впливатимуть на технологічний прогрес, складно, очевидно одне: потреба в рідкоземельних елементах лише зростатиме.