Скрытые электроны редкоземельных элементов делают возможной большую часть современных технологий

Shanghai Transrapid — это высокоскоростной поезд на магнитной подушке (maglev), который движется со скоростью до 430 километров (270 миль) в час. Магниты, необходимые для таких систем, основаны на редкоземельных металлах. Шесть железных дорог в настоящее время предлагают высокоскоростные и энергосберегающие услуги на магнитной подвеске.

Кристиан Петерсен-Клаузен / Moment Open / Getty Images Plus

Никк Огаса

4 мая 2023 г., 6:30

Первый том серии «Дюна» Фрэнка Герберта дебютировал еще в 1965 году. Добыча драгоценного природного вещества, называемого пряным меланжем, была движущей темой этой эпической космической саги. Эта пряность даровала людям возможность ориентироваться на огромных просторах космоса. Он также стал основой межгалактической цивилизации. Это была, конечно, фантастика.

Здесь, на Земле, в реальной жизни, группа металлических элементов сделала возможным наше собственное общество, основанное на технологиях. Эти 17 элементов, называемые редкоземельными элементами, имеют решающее значение практически для всей современной электроники. И спрос на эти металлы стремительно растет.

Пятнадцать редких земель составляют целый ряд в большинстве таблиц Менделеева. Известные как лантаноиды, они имеют атомные номера от лантана до лютеция — атомные номера с 57 по 71. В редкоземельные элементы также входят скандий (атомный номер 21) и иттрий (атомный номер 39). Последние два элемента, как правило, встречаются в тех же рудных месторождениях, что и лантаноиды. Они также имеют схожие химические свойства.

Редкоземельный церий может служить катализатором переработки сырой нефти во множество полезных продуктов. Ядерные реакторы полагаются на другой материал: гадолиний. Он захватывает нейтроны, чтобы контролировать производство энергии топливом реактора.

Но наиболее выдающимися способностями редких земель являются их люминесценция и магнетизм. Например, мы используем редкоземельные элементы для окраски экранов наших смартфонов. Они светятся, сигнализируя о том, что банкноты евро — это настоящая сделка. Они передают сигналы по оптоволоконным кабелям по морскому дну. Они также помогают создавать одни из самых сильных и надежных магнитов в мире. Эти металлы генерируют звуковые волны в ваших наушниках и передают цифровые данные в космос.

В последнее время редкоземельные элементы стали движущей силой развития «зеленых» технологий, таких как энергия ветра и электромобили. Они могут даже дать начало новым деталям, используемым в квантовых компьютерах.

«Они повсюду», — говорит Стивен Бойд об этих металлах. Он химик-синтетик и независимый консультант из Диксона, Калифорния. Когда дело доходит до использования редкоземельных элементов, он говорит: «Список можно продолжать и продолжать».

Редкоземельные элементы имеют тенденцию быть податливыми (легко деформироваться). Эти металлы также имеют высокие температуры плавления и кипения. Но их тайная сила заключается в их электронах.

Все атомы имеют ядро, окруженное электронами. Эти крошечные электроны обитают в зонах, называемых орбиталями. Электроны на орбиталях, наиболее удаленных от ядра, называются валентными электронами. Они принимают участие в химических реакциях и образуют связи, связывающие атомы между собой.

Большинство лантаноидов обладают еще одним важным набором электронов. Эти «f-электроны» обитают в зоне Златовласки. Он расположен рядом с валентными электронами, но немного ближе к ядру. «Именно эти f-электроны отвечают как за магнитные, так и за люминесцентные свойства редкоземельных элементов», — говорит Ана де Бетанкур-Диас. Она химик-неорганик в Университете Невады, Рино.

При стимуляции редкоземельные металлы излучают свет. Хитрость заключается в том, чтобы пощекотать их f-электроны, говорит де Бетанкур-Диас. Источник энергии, такой как лазерный луч, может сбить один f-электрон в редкоземельном элементе. Энергия переводит электрон в возбужденное состояние. Позже он вернется в исходное (или основное) состояние. При этом эти f-электроны излучают свет.

Группа из 17 элементов (выделена синим цветом в этой периодической таблице) известна как редкоземельные элементы. Их подмножество, известное как лантаноиды — лютеций, Lu, плюс ряд, начинающийся с лантана, La — появляются в одном ряду. Редкоземельные элементы имеют подоболочку из электронов (называемую f-электронами), которая придает этим металлам магнитные и люминесцентные свойства.