كيف تجعل العناصر الأرضية النادرة التكنولوجيا الحديثة ممكنة


في أوبرا الفضاء فرانك هربرت الكثيب، وهي مادة طبيعية ثمينة تسمى مزيج التوابل تمنح الناس القدرة على الإبحار في مساحات شاسعة من الكون لبناء حضارة بين المجرات.

في الحياة الواقعية هنا على الأرض ، جعلت مجموعة من المعادن الطبيعية المعروفة باسم الأرض النادرة مجتمعنا المدعوم بالتكنولوجيا ممكنًا. يتزايد الطلب على هذه المكونات الحاسمة في جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة تقريبًا.

تلبي العناصر الأرضية النادرة آلاف الاحتياجات المختلفة – يستخدم السيريوم ، على سبيل المثال ، كمحفز لتكرير البترول ، بينما يلتقط الجادولينيوم النيوترونات في المفاعلات النووية. لكن أبرز قدرات هذه العناصر تكمن في التلألؤ والمغناطيسية.

نحن نعتمد على العناصر الأرضية النادرة لتلوين شاشات هواتفنا الذكية ، ونتألق للإشارة إلى أصالة الأوراق النقدية باليورو ، وترحيل الإشارات عبر كابلات الألياف الضوئية عبر قاع البحر. كما أنها ضرورية لبناء بعض المغناطيسات الأقوى والأكثر موثوقية في العالم. يولدون موجات صوتية في سماعات الرأس ، ويعززون المعلومات الرقمية عبر الفضاء ويغيرون مسارات الصواريخ الحرارية. تقود العناصر الأرضية النادرة أيضًا نمو التقنيات الخضراء ، مثل طاقة الرياح والمركبات الكهربائية ، وقد تؤدي أيضًا إلى ظهور مكونات جديدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

يقول ستيفن بويد ، الكيميائي التركيبي والمستشار المستقل: “القائمة تطول وتطول”. “انهم في كل مكان.”

تأتي القوى الخارقة للأرض النادرة من إلكتروناتها

الأتربة النادرة هي اللانثانيدات – اللوتيتيوم وجميع العناصر الأربعة عشر الموجودة بين اللانثانم والإيتربيوم عبر صف واحد من الجدول الدوري – بالإضافة إلى سكانديوم والإيتريوم ، والتي تميل إلى الحدوث في نفس رواسب الخام ولها خصائص كيميائية مماثلة للانثانيدات. غالبًا ما تكون هذه المعادن الرمادية إلى الفضية قابلة للطرق وذات نقاط انصهار وغليان عالية.

تكمن قوتهم السرية في إلكتروناتهم. تحتوي جميع الذرات على نواة محاطة بالإلكترونات ، والتي تسكن مناطق تسمى المدارات. الإلكترونات الموجودة في المدارات الأبعد عن النواة هي إلكترونات التكافؤ ، التي تشارك في التفاعلات الكيميائية وتشكل روابط مع ذرات أخرى.

تمتلك معظم اللانثانيدات مجموعة مهمة أخرى من الإلكترونات تسمى “الإلكترونات f” ، والتي تسكن في منطقة Goldilocks بالقرب من إلكترونات التكافؤ ولكنها أقرب قليلاً إلى النواة. تقول آنا دي بيتنكور دياس ، عالمة الكيمياء غير العضوية بجامعة نيفادا ، رينو: “إن هذه الإلكترونات f هي المسؤولة عن كل من الخصائص المغناطيسية والإنارة لعناصر الأرض النادرة”.

تضيف الأتربة النادرة اللون والضوء

على طول بعض السواحل ، يتوهج البحر الليلي أحيانًا باللون الأخضر المزرق بينما تتدافع العوالق ذات الإضاءة الحيوية في الأمواج. تشع المعادن الأرضية النادرة الضوء أيضًا عند تحفيزها. الحيلة هي دغدغة إلكتروناتها f ، كما تقول دي بيتنكور دياس.

باستخدام مصدر طاقة مثل الليزر أو المصباح ، يمكن للعلماء والمهندسين دفع أحد الإلكترونات f للأرض النادرة إلى حالة مثارة ثم تركها تعود إلى الخمول ، أو حالتها الأرضية. تقول: “عندما تعود اللانثانيدات إلى الأرض ، فإنها تشع الضوء”.

تقول دي بيتنكور دياس إن كل أرض نادرة تبعث بشكل موثوق أطوال موجية دقيقة من الضوء عند الإثارة. تسمح هذه الدقة التي يمكن الاعتماد عليها للمهندسين بضبط الإشعاع الكهرومغناطيسي بعناية في العديد من الإلكترونيات. التيربيوم ، على سبيل المثال ، يبعث الضوء بطول موجة يبلغ حوالي 545 نانومتر ، مما يجعله جيدًا لبناء الفوسفور الأخضر في شاشات التلفزيون والكمبيوتر والهواتف الذكية. اليوروبيوم ، الذي له شكلين شائعين ، يستخدم لبناء الفوسفور الأحمر والأزرق. معًا ، يمكن لهذه الفوسفورات أن ترسم شاشات مع معظم ظلال قوس قزح.

تشع الأتربة النادرة أيضًا ضوءًا غير مرئي مفيدًا. الإيتريوم هو عنصر رئيسي في عقيق الإيتريوم والألمنيوم ، أو YAG ، وهو بلور صناعي يشكل جوهر العديد من أنواع الليزر عالية الطاقة. يقوم المهندسون بضبط الأطوال الموجية لهذه الليزرات عن طريق ربط بلورات YAG بأرض نادرة أخرى. أكثر الأنواع شيوعًا هي ليزر YAG المغطى بالنيوديميوم ، والذي يستخدم في كل شيء بدءًا من تقطيع الفولاذ إلى إزالة الوشم إلى تحديد المدى بالليزر. تعد أشعة ليزر Erbium-YAG خيارًا جيدًا للعمليات الجراحية طفيفة التوغل لأنها تمتص بسهولة عن طريق الماء في اللحم وبالتالي لن تنقسم إلى عمق كبير.

شاهد كيف يتألق اليوروبيوم الموجود في الألياف المدمجة في الأوراق النقدية باليورو تحت الضوء فوق البنفسجي. يثير ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلكترونات اليوروبيوم f ، والتي تعود بعد ذلك إلى حالتها الأساسية وتطلق فوتونات الضوء المرئي في هذه العملية.
إلى اليسار: GagogaSus / ويكيميديا ​​كومنز (CC BY-SA 4.0.1 تحديث) ؛ إلى اليمين: ECB / Reinhold Gerstetter / ويكيميديا ​​كومنز

بخلاف الليزر ، يعد اللانثانم ضروريًا لصنع زجاج يمتص الأشعة تحت الحمراء في نظارات الرؤية الليلية. يقول تيان زونج ، مهندس جزيئات في جامعة شيكاغو: “والإربيوم هو الذي يقود الإنترنت لدينا”. ينتقل الكثير من معلوماتنا الرقمية عبر الألياف الضوئية كضوء بطول موجة يبلغ حوالي 1550 نانومترًا – نفس الطول الموجي الذي يصدره الإربيوم. تخفت الإشارات في كبلات الألياف الضوئية أثناء انتقالها بعيدًا عن مصدرها. نظرًا لأن هذه الكابلات يمكن أن تمتد لآلاف الكيلومترات عبر قاع البحر ، يُضاف الإربيوم إلى الألياف لتعزيز الإشارات.

الأتربة النادرة تصنع مغناطيسات قوية

في عام 1945 ، شيد العلماء ENIAC ، أول كمبيوتر رقمي متعدد الأغراض قابل للبرمجة في العالم (SN: 2/23/46 ، ص. 118). يزن ENIAC ، الملقب بـ “الدماغ العملاق” ، أكثر من أربعة أفيال ويبلغ حجم أقدامه حوالي ثلثي مساحة ملعب التنس.

بعد أقل من 80 عامًا ، أصبح الهاتف الذكي في كل مكان – الذي يتميز بقوة حوسبة أكبر بكثير مما فعلته ENIAC – يناسب راحة يدنا. يدين المجتمع بهذا التصغير للتكنولوجيا الإلكترونية في جزء كبير منه إلى القوة المغناطيسية الاستثنائية للأتربة النادرة. يمكن للمغناطيسات الأرضية النادرة الصغيرة القيام بنفس عمل المغناطيسات الكبيرة المصنوعة بدون تربة نادرة.

إنها تلك الإلكترونات f في اللعب. تحتوي الأرض النادرة على العديد من مدارات الإلكترونات ، لكن الإلكترونات f تسكن مجموعة محددة من سبعة مدارات تسمى 4f-subshell. في أي قشرة فرعية ، تحاول الإلكترونات نشر نفسها بين المدارات بداخلها. يمكن أن يستوعب كل مدار ما يصل إلى إلكترونين. ولكن نظرًا لأن القشرة الفرعية 4f تحتوي على سبعة مدارات ، وتحتوي معظم العناصر الأرضية النادرة على أقل من 14 إلكترونًا ، تميل العناصر إلى أن يكون لها مدارات متعددة بإلكترون واحد فقط. تمتلك ذرات النيوديميوم ، على سبيل المثال ، أربعة من هذه الذرات المنعزلة ، بينما يمتلك الديسبروسيوم والسماريوم خمسة. بشكل حاسم ، تميل هذه الإلكترونات غير المزاوجة إلى الإشارة – أو الدوران – في نفس الاتجاه ، كما يقول بويد. “هذا ما يخلق القطبين الشمالي والجنوبي اللذين نفهمهما تقليديًا على أنهما المغناطيسية.”

نظرًا لأن هذه الإلكترونات f المنفردة تتأرجح خلف غلاف إلكترونات التكافؤ ، فإن دورانها المتزامن محمي إلى حد ما من قوى إزالة المغناطيسية مثل الحرارة والمجالات المغناطيسية الأخرى ، مما يجعلها رائعة لبناء مغناطيس دائم ، كما يقول تشونغ. المغناطيسات الدائمة ، مثل تلك التي تحمل الصور على باب الثلاجة ، تولد بشكل سلبي المجالات المغناطيسية التي تنشأ من تركيبها الذري ، على عكس المغناطيسات الكهربائية ، التي تتطلب تيارًا كهربائيًا ويمكن إيقاف تشغيلها.

ولكن حتى مع تدريعها ، فإن للأتربة النادرة حدود. النيوديميوم النقي ، على سبيل المثال ، يتآكل ويتشقق بسهولة ، وتبدأ شدته المغناطيسية في فقدان قوتها فوق 80 درجة مئوية. يقول دورجا بوديال ، عالِم الفيزياء النظرية في مختبر أميس الوطني بولاية أيوا ، إن المُصنِّعين يُسبِّبون بعض العناصر الأرضية النادرة مع معادن أخرى لصنع مغناطيس أكثر مرونة. ويقول إن هذا يعمل بشكل جيد لأن بعض العناصر الأرضية النادرة يمكنها تنظيم المجالات المغناطيسية للمعادن الأخرى. تمامًا كما سيهبط النرد الموزون بشكل مفضل على جانب واحد ، فإن بعض العناصر الأرضية النادرة مثل النيوديميوم والسماريوم تظهر مغناطيسية أقوى في اتجاهات معينة لأنها تحتوي على مدارات ممتلئة بشكل غير متساوٍ في قذائفها الفرعية 4F. يمكن الاستفادة من هذا الاتجاه ، الذي يُطلق عليه تباين الخواص المغناطيسية ، لتنسيق مجالات معادن أخرى مثل الحديد أو الكوبالت لتشكيل مغناطيس قوي وقوي للغاية.

أقوى مغناطيسات السبائك الأرضية النادرة هي مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون. يمكن لمغناطيس سبيكة النيوديميوم الذي يبلغ وزنه ثلاثة كيلوغرامات رفع الأشياء التي يزيد وزنها عن 300 كيلوغرام ، على سبيل المثال. أكثر من 95 في المائة من المغناطيس الدائم في العالم مصنوعة من هذه السبيكة الأرضية النادرة. تولد مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون اهتزازات في الهواتف الذكية ، وتنتج أصواتًا في سماعات الأذن وسماعات الرأس ، وتمكن من قراءة البيانات وكتابتها في محركات الأقراص الثابتة وتوليد المجالات المغناطيسية المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. ويمكن أن تؤدي إضافة القليل من الديسبروسيوم إلى هذه المغناطيسات إلى تعزيز مقاومة السبيكة للحرارة ، مما يجعلها خيارًا جيدًا للدوارات التي تدور في الأجزاء الداخلية الساخنة للعديد من محركات السيارات الكهربائية.

كانت مغناطيسات السماريوم والكوبالت ، التي تم تطويرها في الستينيات من القرن الماضي ، أول مغناطيسات أرضية نادرة شائعة. على الرغم من أنها أضعف قليلاً من مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون ، إلا أن مغناطيسات السماريوم والكوبالت تتمتع بمقاومة فائقة للحرارة والتآكل ، لذا فهي تعمل في المحركات عالية السرعة والمولدات وأجهزة استشعار السرعة في السيارات والطائرات وفي الأجزاء المتحركة من بعض الصواريخ الحرارية. تشكل مغناطيس السماريوم والكوبالت أيضًا قلب معظم أنابيب الموجات المتنقلة ، والتي تعزز الإشارات من أنظمة الرادار وأقمار الاتصالات. تقوم بعض هذه الأنابيب بنقل البيانات من المركبة الفضائية فوييجر 1 – حاليًا هو أبعد جسم من صنع الإنسان – على بعد أكثر من 23 مليار كيلومتر (SN: 7/31/21 ، ص. 18).

نظرًا لكونها قوية وموثوقة ، فإن المغناطيسات الأرضية النادرة تدعم التقنيات الخضراء. إنهم في المحركات ومحركات الدفع ونظام التوجيه المعزز والعديد من المكونات الأخرى للسيارات الكهربائية. أثار استخدام Tesla لمغناطيس سبائك النيوديميوم في سياراتها من الطراز 3 الأبعد نطاقًا مخاوف بشأن سلسلة التوريد ؛ توفر الصين الغالبية العظمى من النيوديميوم في العالم (SN: 1/11/23).

تُستخدم المغناطيسات الأرضية النادرة أيضًا في العديد من توربينات الرياح البحرية لتحل محل علب التروس ، مما يعزز الكفاءة ويقلل من الصيانة. في أغسطس ، قدم المهندسون الصينيون “قوس قزح” ، أول خط قطار مغناطيسي مغناطيسي في العالم يعتمد على مغناطيسات أرضية نادرة تمكن القطارات من الطفو دون استهلاك الكهرباء.

في المستقبل ، قد تؤدي الأتربة النادرة إلى تطوير الحوسبة الكمومية. بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية البتات الثنائية (تلك 1 و 0) ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات ، والتي يمكن أن تشغل حالتين في وقت واحد. كما اتضح ، فإن البلورات التي تحتوي على أتربة نادرة تصنع كيوبتات جيدة ، لأن الإلكترونات f المحمية يمكنها تخزين المعلومات الكمومية لفترات طويلة من الزمن ، كما يقول تشونغ. في يوم من الأيام ، قد يستفيد علماء الكمبيوتر من خصائص الإنارة للأتربة النادرة في الكيوبتات لمشاركة المعلومات بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية وولادة الإنترنت الكمي ، كما يقول.

قد يكون من السابق لأوانه التنبؤ بالضبط بكيفية استمرار المعادن الأرضية النادرة في التأثير على توسع هذه التقنيات المتنامية. لكن ربما يكون من الآمن أن نقول: سنحتاج إلى المزيد من العناصر الأرضية النادرة.



المصدر