Terbioappartiene alla categoria dei pesantiterre rare, con una bassa abbondanza nella crosta terrestre, pari a sole 1,1 ppm. L'ossido di terbio rappresenta meno dello 0,01% del totale delle terre rare. Anche nel minerale di terre rare pesanti ad alto contenuto di ioni ittrio con il più alto contenuto di terbio, il terbio rappresenta solo l'1,1-1,2% del totale delle terre rare, il che indica che appartiene alla categoria "nobile" degli elementi delle terre rare. Per oltre 100 anni dalla scoperta del terbio nel 1843, la sua scarsità e il suo valore ne hanno impedito a lungo l'applicazione pratica. È solo negli ultimi 30 anni che il terbio ha dimostrato il suo talento unico.
Alla scoperta della storia
Il chimico svedese Carl Gustaf Mosander scoprì il terbio nel 1843. Ne trovò le impurità inossido di ittrio (III)EY2O3L'ittrio prende il nome dal villaggio di Ytterby in Svezia. Prima dell'avvento della tecnologia dello scambio ionico, il terbio non veniva isolato nella sua forma pura.
Mosant divise per primo l'ossido di ittrio (III) in tre parti, tutte chiamate con il nome dei minerali: ossido di ittrio (III),ossido di erbio (III)e ossido di terbio. L'ossido di terbio era originariamente composto da una parte rosa, dovuta all'elemento oggi noto come erbio. L'"ossido di erbio(III)" (che include ciò che oggi chiamiamo terbio) era originariamente la parte essenzialmente incolore della soluzione. L'ossido insolubile di questo elemento è considerato marrone.
I lavoratori successivi riuscirono a malapena a osservare il minuscolo "ossido di Erbio(III)" incolore, ma la parte rosa solubile non poteva essere ignorata. I dibattiti sull'esistenza dell'ossido di Erbio(III) sono sorti ripetutamente. Nel caos, il nome originale fu invertito e lo scambio di nomi rimase invariato, così la parte rosa fu infine menzionata come una soluzione contenente erbio (nella soluzione, era rosa). Ora si ritiene che i lavoratori che usano bisolfato di sodio o solfato di potassio assumanoossido di cerio (IV)dall'ossido di ittrio(III) e trasformano involontariamente il terbio in un sedimento contenente cerio. Solo circa l'1% dell'ossido di ittrio(III) originale, ora noto come "terbio", è sufficiente a conferire una colorazione giallastra all'ossido di ittrio(III). Pertanto, il terbio è un componente secondario che inizialmente lo conteneva, ed è controllato dai suoi vicini immediati, gadolinio e disprosio.
In seguito, ogni volta che altri elementi delle terre rare venivano separati da questa miscela, indipendentemente dalla proporzione dell'ossido, il nome di terbio veniva mantenuto fino a quando, alla fine, si otteneva l'ossido bruno di terbio in forma pura. I ricercatori del XIX secolo non utilizzavano la tecnologia della fluorescenza ultravioletta per osservare noduli di colore giallo brillante o verde (III), rendendo più facile il riconoscimento del terbio in miscele o soluzioni solide.
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
La configurazione elettronica del terbio è [Xe] 6s24f9. Normalmente, solo tre elettroni possono essere rimossi prima che la carica nucleare diventi troppo grande per essere ulteriormente ionizzata, ma nel caso del terbio, il terbio semiriempito consente al quarto elettrone di essere ulteriormente ionizzato in presenza di ossidanti molto forti come il fluoro gassoso.
Il terbio è un metallo delle terre rare di colore bianco-argenteo, dotato di duttilità, tenacità e morbidezza tali da poter essere tagliato con un coltello. Punto di fusione 1360 °C, punto di ebollizione 3123 °C, densità 8229,4 kg/m³. Rispetto ai primi lantanidi, è relativamente stabile nell'aria. Essendo il nono elemento dei lantanidi, il terbio è un metallo con una forte carica elettrica. Reagisce con l'acqua per formare idrogeno.
In natura, il terbio non è mai stato trovato come elemento libero, e una piccola quantità del quale è presente nella sabbia di fosfocerio e torio e nella gadolinite. Il terbio coesiste con altri elementi delle terre rare nella sabbia di monazite, con un contenuto di terbio generalmente pari allo 0,03%. Altre fonti sono lo xenotime e i minerali di oro nero raro, entrambi miscele di ossidi e contenenti fino all'1% di terbio.
Applicazione
L'applicazione del terbio riguarda principalmente settori ad alta tecnologia, che sono progetti all'avanguardia ad alta intensità di tecnologia e di conoscenza, nonché progetti con significativi benefici economici, con interessanti prospettive di sviluppo.
I principali campi di applicazione includono:
(1) Utilizzato sotto forma di terre rare miste. Ad esempio, viene utilizzato come fertilizzante composto da terre rare e additivo per mangimi in agricoltura.
(2) Attivatore per polvere verde in tre polveri fluorescenti primarie. I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base di fosfori, ovvero rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. Il terbio è un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità.
(3) Utilizzato come materiale di memorizzazione magneto-ottica. Film sottili di leghe di metalli di transizione terbio-metallo amorfo sono stati utilizzati per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni.
(4) Produzione di vetro magneto-ottico. Il vetro rotante di Faraday contenente terbio è un materiale chiave per la produzione di rotatori, isolatori e circolatori nella tecnologia laser.
(5) Lo sviluppo e la messa a punto della lega ferromagnetostrittiva di terbio disprosio (TerFenol) ha aperto nuove applicazioni per il terbio.
Per l'agricoltura e l'allevamento
Il terbio delle terre rare può migliorare la qualità delle colture e aumentare il tasso di fotosintesi entro un certo intervallo di concentrazione. I complessi di terbio hanno un'elevata attività biologica. I complessi ternari di terbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3·3H₂O, hanno buoni effetti antibatterici e battericidi su Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ed Escherichia coli. Hanno un ampio spettro antibatterico. Lo studio di tali complessi apre una nuova direzione di ricerca per i moderni farmaci battericidi.
Utilizzato nel campo della luminescenza
I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base di fosfori, ovvero rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. Il terbio è un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità. Se la nascita della polvere fluorescente rossa per TV a colori a base di terre rare ha stimolato la domanda di ittrio ed europio, l'applicazione e lo sviluppo del terbio sono stati promossi dalla polvere fluorescente verde a tre colori primari a base di terre rare per lampade. All'inizio degli anni '80, Philips inventò la prima lampada fluorescente compatta a risparmio energetico al mondo e la promosse rapidamente a livello globale. Gli ioni Tb3+ possono emettere luce verde con una lunghezza d'onda di 545 nm e quasi tutti i fosfori verdi a base di terre rare utilizzano il terbio come attivatore.
Il fosforo verde per tubi catodici (CRT) per TV a colori è sempre stato basato sul solfuro di zinco, economico ed efficiente, ma la polvere di terbio è sempre stata utilizzata come fosforo verde per la TV a colori a proiezione, inclusi Y₂SiO₂ ∶ Tb₂+, Y₂(Al, Ga)₂5O₂ ∶ Tb₂+ e LaOBr₂ ∶ Tb₂+. Con lo sviluppo della televisione ad alta definizione (HDTV) a grande schermo, si stanno sviluppando anche polveri fluorescenti verdi ad alte prestazioni per CRT. Ad esempio, all'estero è stata sviluppata una polvere fluorescente verde ibrida, composta da Y₂(Al, Ga)₂5O₂ : Tb₂+, LaOCl: Tb₂+ e Y₂SiO₂ : Tb₂+, che presenta un'eccellente efficienza di luminescenza ad alta densità di corrente.
La polvere fluorescente tradizionale a raggi X è il tungstato di calcio. Negli anni '70 e '80, sono stati sviluppati fosfori di terre rare per schermi di intensificazione, come l'ossido di lantanio con zolfo attivato al terbio, l'ossido di lantanio con bromo attivato al terbio (per schermi verdi), l'ossido di ittrio (III) con zolfo attivato al terbio, ecc. Rispetto al tungstato di calcio, la polvere fluorescente di terre rare può ridurre dell'80% il tempo di irradiazione dei raggi X per i pazienti, migliorare la risoluzione delle pellicole radiografiche, prolungare la durata dei tubi radiografici e ridurre il consumo energetico. Il terbio è anche utilizzato come attivatore di polvere fluorescente per schermi di intensificazione radiografica medica, che può migliorare notevolmente la sensibilità della conversione dei raggi X in immagini ottiche, migliorare la nitidezza delle pellicole radiografiche e ridurre notevolmente la dose di esposizione ai raggi X per il corpo umano (di oltre il 50%).
Il terbio viene anche utilizzato come attivatore nei fosfori LED bianchi eccitati dalla luce blu per la nuova illuminazione a semiconduttore. Può essere utilizzato per produrre cristalli magneto-ottici di terbio e alluminio, utilizzando diodi a emissione di luce blu come sorgenti luminose di eccitazione, e la fluorescenza generata viene miscelata con la luce di eccitazione per produrre luce bianca pura.
I materiali elettroluminescenti a base di terbio includono principalmente fosforo verde a base di solfuro di zinco con terbio come attivatore. Sotto irradiazione ultravioletta, i complessi organici di terbio possono emettere una forte fluorescenza verde e possono essere utilizzati come materiali elettroluminescenti a film sottile. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nello studio dei film sottili elettroluminescenti a base di complessi organici di terre rare, sussiste ancora un certo divario nella pratica, e la ricerca sui film sottili e sui dispositivi elettroluminescenti a base di complessi organici di terre rare è ancora in fase di approfondimento.
Le caratteristiche di fluorescenza del terbio vengono utilizzate anche come sonde di fluorescenza. Ad esempio, la sonda di fluorescenza di Ofloxacina terbio (Tb3+) è stata utilizzata per studiare l'interazione tra il complesso di Ofloxacina terbio (Tb3+) e il DNA (DNA) mediante spettro di fluorescenza e spettro di assorbimento, indicando che la sonda di Ofloxacina Tb3+ può formare un solco legante con le molecole di DNA e che il DNA può aumentare significativamente la fluorescenza del sistema di Ofloxacina Tb3+. Sulla base di questa variazione, è possibile determinare il DNA.
Per materiali magneto-ottici
I materiali con effetto Faraday, noti anche come materiali magneto-ottici, sono ampiamente utilizzati nei laser e in altri dispositivi ottici. Esistono due tipi comuni di materiali magneto-ottici: i cristalli magneto-ottici e il vetro magneto-ottico. Tra questi, i cristalli magneto-ottici (come il granato di ittrio e ferro e il granato di terbio e gallio) presentano il vantaggio di una frequenza operativa regolabile e di un'elevata stabilità termica, ma sono costosi e difficili da produrre. Inoltre, molti cristalli magneto-ottici con elevato angolo di rotazione di Faraday presentano un elevato assorbimento nella gamma delle onde corte, il che ne limita l'utilizzo. Rispetto ai cristalli magneto-ottici, il vetro magneto-ottico offre il vantaggio di un'elevata trasmittanza ed è facile da trasformare in blocchi o fibre di grandi dimensioni. Attualmente, i vetri magneto-ottici con elevato effetto Faraday sono principalmente vetri drogati con ioni di terre rare.
Utilizzato per materiali di archiviazione magneto-ottica
Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo del multimedia e dell'automazione d'ufficio, la domanda di nuovi dischi magnetici ad alta capacità è aumentata. Film di leghe di metalli di transizione al terbio e metallo amorfo sono stati utilizzati per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni. Tra questi, il film sottile in lega TbFeCo offre le migliori prestazioni. Materiali magneto-ottici a base di terbio sono stati prodotti su larga scala e i dischi magneto-ottici da essi realizzati vengono utilizzati come componenti di archiviazione per computer, con una capacità di archiviazione aumentata di 10-15 volte. Presentano i vantaggi di un'elevata capacità e di una rapida velocità di accesso, e possono essere cancellati e rivestiti decine di migliaia di volte se utilizzati per dischi ottici ad alta densità. Sono materiali importanti nella tecnologia di archiviazione elettronica delle informazioni. Il materiale magneto-ottico più comunemente utilizzato nelle bande del visibile e del vicino infrarosso è il monocristallo di granato di gallio e terbio (TGG), che è il miglior materiale magneto-ottico per la realizzazione di rotatori e isolatori di Faraday.
Per vetro magneto-ottico
Il vetro magneto-ottico di Faraday presenta una buona trasparenza e isotropia nelle regioni del visibile e dell'infrarosso e può assumere diverse forme complesse. È facile da produrre prodotti di grandi dimensioni e può essere trasformato in fibre ottiche. Pertanto, ha ampie prospettive di applicazione in dispositivi magneto-ottici come isolatori magneto-ottici, modulatori magneto-ottici e sensori di corrente in fibra ottica. Grazie al suo elevato momento magnetico e al basso coefficiente di assorbimento nel visibile e nell'infrarosso, gli ioni Tb3+ sono diventati ioni di terre rare comunemente utilizzati nei vetri magneto-ottici.
Lega ferromagnetostrittiva al terbio-disprosio
Alla fine del XX secolo, con l'approfondirsi della rivoluzione scientifica e tecnologica mondiale, nuovi materiali applicati a base di terre rare emersero rapidamente. Nel 1984, la Iowa State University degli Stati Uniti, l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e l'US Navy Surface Weapons Research Center (il personale principale della successiva American Edge Technology Company (ET REMA) proveniva da questo centro) svilupparono congiuntamente un nuovo materiale intelligente a base di terre rare, ovvero un materiale magnetostrittivo gigante al terbio-disprosio e ferro. Questo nuovo materiale intelligente possiede le eccellenti caratteristiche di convertire rapidamente l'energia elettrica in energia meccanica. I trasduttori subacquei ed elettroacustici realizzati con questo materiale magnetostrittivo gigante sono stati installati con successo in apparecchiature navali, altoparlanti per il rilevamento di pozzi petroliferi, sistemi di controllo del rumore e delle vibrazioni e sistemi di comunicazione sotterranei e di esplorazione oceanica. Pertanto, non appena il materiale magnetostrittivo gigante al terbio-disprosio e ferro fu introdotto, ricevette ampia attenzione da parte dei paesi industrializzati di tutto il mondo. Nel 1989, la Edge Technologies negli Stati Uniti ha iniziato a produrre materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio, chiamandoli Terfenol D. Successivamente, anche Svezia, Giappone, Russia, Regno Unito e Australia hanno sviluppato materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio.
Dalla storia dello sviluppo di questo materiale negli Stati Uniti, sia l'invenzione del materiale che le sue prime applicazioni monopolistiche sono direttamente correlate all'industria militare (come la Marina). Sebbene i dipartimenti militari e della difesa cinesi stiano gradualmente rafforzando la loro conoscenza di questo materiale, tuttavia, dopo il significativo aumento del Potere Nazionale Globale della Cina, i requisiti per attuare la strategia competitiva militare nel XXI secolo e migliorare il livello degli equipaggiamenti saranno certamente molto urgenti. Pertanto, l'uso diffuso di materiali magnetostrittivi giganti al terbio-disprosio-ferro da parte dei dipartimenti militari e della difesa nazionale sarà una necessità storica.
In breve, le numerose eccellenti proprietà del terbio lo rendono un elemento indispensabile per molti materiali funzionali e una risorsa insostituibile in alcuni campi di applicazione. Tuttavia, a causa dell'elevato prezzo del terbio, si sta studiando come evitarne e minimizzarne l'uso al fine di ridurre i costi di produzione. Ad esempio, i materiali magneto-ottici a base di terre rare dovrebbero utilizzare il più possibile disprosio ferro-cobalto o gadolinio terbio-cobalto a basso costo; si dovrebbe cercare di ridurre il contenuto di terbio nella polvere fluorescente verde da utilizzare. Il prezzo è diventato un fattore importante che limita l'uso diffuso del terbio. Tuttavia, molti materiali funzionali non possono farne a meno, quindi dobbiamo aderire al principio di "usare un buon acciaio sulla lama" e cercare di ridurre il più possibile l'uso del terbio.
Data di pubblicazione: 05-07-2023