Terbioappartiene alla categoria delle terre rare pesanti, con una bassa abbondanza nella crosta terrestre, pari a sole 1,1 ppm.ossido di terbiorappresenta meno dello 0,01% del totale delle terre rare. Anche nel minerale di terre rare pesanti ad alto contenuto di ioni di ittrio con il più alto contenuto di terbio, il contenuto di terbio rappresenta solo l'1,1-1,2% del totale.terre rare, indicando che appartiene alla categoria “nobile” diterre rareelementi. 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 cheterbioha dimostrato il suo talento unico.
Alla scoperta della storia
Il chimico svedese Carl Gustaf Mosander scoprì il terbio nel 1843. Scoprì le sue impurità inossido di ittrioEY2O3. IttrioPrende il nome dal villaggio di Itby in Svezia. Prima dell'avvento della tecnologia dello scambio ionico, il terbio non veniva isolato nella sua forma pura.
Mossander si divise per primoossido di ittrioin tre parti, tutte chiamate con i nomi dei minerali:ossido di ittrio, ossido di erbio, Eossido di terbio. ossido di terbioera originariamente composto da una parte rosa, dovuta all'elemento oggi noto comeerbio. ossido di erbio(compreso quello che oggi chiamiamo terbio) era originariamente una parte incolore in soluzione. L'ossido insolubile di questo elemento è considerato marrone.
Successivamente, i lavoratori trovarono difficile osservare minuscole particelle incolori “ossido di erbio", ma la parte rosa solubile non può essere ignorata. Il dibattito sull'esistenza diossido di erbioè emersa ripetutamente. Nel caos, il nome originale è stato invertito e lo scambio di nomi è rimasto invariato, quindi la parte rosa è stata infine menzionata come una soluzione contenente erbio (nella soluzione, era rosa). Ora si ritiene che i lavoratori che usano disolfuro di sodio o solfato di potassio per rimuovere il biossido di cerio daossido di ittriogirare involontariamenteterbioin precipitati contenenti cerio. Attualmente noto come 'terbio', solo circa l'1% dell'originaleossido di ittrioè presente, ma questo è sufficiente a trasmettere un colore giallo chiaro aossido di ittrio. Perciò,terbioè un componente secondario che inizialmente lo conteneva, ed è controllato dai suoi vicini immediati,gadolinioEdisprosio.
In seguito, ogni volta che altriterre raregli elementi vennero separati da questa miscela, indipendentemente dalla proporzione dell'ossido, il nome di terbio venne mantenuto fino a quando, infine, l'ossido marrone diterbioè stato ottenuto in forma pura. I ricercatori del XIX secolo non utilizzavano la tecnologia della fluorescenza ultravioletta per osservare noduli di colore giallo o verde brillante (III), rendendo più facile il riconoscimento del terbio in miscele o soluzioni solide.
Configurazione elettronica
Layout elettronico:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
La disposizione elettronica diterbioè [Xe] 6s24f9. Normalmente, solo tre elettroni possono essere rimossi prima che la carica nucleare diventi troppo grande per essere ulteriormente ionizzata. Tuttavia, nel caso diterbio, il semi-riempitoterbioconsente un'ulteriore ionizzazione del quarto elettrone in presenza di un ossidante molto forte come il fluoro gassoso.
Metallo
TerbioÈ un metallo delle terre rare di colore bianco-argenteo, dotato di duttilità, tenacità e morbidezza, che può essere tagliato con un coltello. Punto di fusione 1360 °C, punto di ebollizione 3123 °C, densità 8229,4 kg/m³. Rispetto ai primi elementi lantanidi, è relativamente stabile nell'aria. Il nono elemento dei lantanidi, il terbio, è un metallo altamente carico che reagisce con l'acqua per formare idrogeno gassoso.
In natura,terbionon è mai stato trovato come elemento libero, presente in piccole quantità nella sabbia di fosforo, cerio, torio e nei minerali di silicio, berillio e ittrio.TerbioCoesiste con altri elementi delle terre rare nella sabbia di monazite, con un contenuto di terbio generalmente dello 0,03%. Altre fonti includono il fosfato di ittrio e l'oro delle terre rare, entrambi miscele di ossidi contenenti fino all'1% di terbio.
Applicazione
L'applicazione diterbioriguarda principalmente settori ad alta tecnologia, che sono progetti all'avanguardia ad alta intensità tecnologica 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.terbioè un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità.
(3) Utilizzato come materiale di memorizzazione magneto-ottica. Film sottili di lega di metallo 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
Terre rareterbiopuò 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 e i complessi ternari diterbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, hanno buoni effetti antibatterici e battericidi su Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ed Escherichia coli, con proprietà antibatteriche ad ampio spettro. Lo studio di questi 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...ittrioEeuropio, l'applicazione e lo sviluppo del terbio sono stati promossi dalla polvere fluorescente verde a tre colori primari 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 tutte le polveri fluorescenti verdi di terre rare utilizzanoterbio, come attivatore.
La polvere fluorescente verde utilizzata per i tubi catodici (CRT) dei televisori a colori è sempre stata basata principalmente sul solfuro di zinco, economico ed efficiente, ma la polvere di terbio è sempre stata utilizzata come polvere verde per i televisori a colori da proiezione, come 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 i CRT. Ad esempio, all'estero è stata sviluppata una polvere fluorescente verde ibrida, composta da Y₂(Al, Ga)₂5O₂: Tb₂+, LaOCl₂: 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 state sviluppate polveri fluorescenti a base di terre rare per schermi di sensibilizzazione, cometerbioossido di solfuro di lantanio attivato, ossido di bromuro di lantanio attivato con terbio (per schermi verdi) e ossido di solfuro di ittrio attivato con terbio. 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 radiogeni e ridurre il consumo energetico. Il terbio viene anche utilizzato come attivatore di polvere fluorescente per gli schermi di miglioramento radiografico medicale, il 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%).
TerbioViene anche utilizzato come attivatore nel fosforo LED bianco eccitato dalla luce blu per la nuova illuminazione a semiconduttore. Può essere utilizzato per produrre fosfori a cristallo magneto-ottico in terbio-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 realizzati con il terbio includono principalmente polvere fluorescente verde di solfuro di zinco conterbiocome 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 diterre rarefilm sottili elettroluminescenti complessi organici, c'è ancora un certo divario con la praticità e la ricerca sui film sottili elettroluminescenti complessi organici di terre rare e sui dispositivi è ancora in fase di approfondimento.
Le caratteristiche di fluorescenza del terbio vengono utilizzate anche come sonde di fluorescenza. L'interazione tra il complesso di ofloxacina terbio (Tb3+) e l'acido desossiribonucleico (DNA) è stata studiata utilizzando spettri di fluorescenza e assorbimento, come la sonda di fluorescenza di ofloxacina terbio (Tb3+). I risultati hanno mostrato che la sonda di ofloxacina Tb3+ può formare un solco legante con le molecole di DNA e che l'acido desossiribonucleico può aumentare significativamente la fluorescenza del sistema di ofloxacina Tb3+. Sulla base di questa variazione, è possibile determinare l'acido desossiribonucleico.
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 elevati angoli 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 sottili di leghe di metallo di transizione terbio-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-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 il continuo approfondirsi della rivoluzione tecnologica mondiale, nuovi materiali per applicazioni a base di terre rare iniziarono a emergere rapidamente. Nel 1984, la Iowa State University, l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e l'US Navy Surface Weapons Research Center (da cui proveniva il personale principale della successiva Edge Technology Corporation (ET REMA)) collaborarono allo sviluppo di un nuovo materiale intelligente a base di terre rare, ovvero il materiale magnetostrittivo ferromagnetico al terbio disprosio. Questo nuovo materiale intelligente possiede eccellenti caratteristiche di conversione rapida dell'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 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 collegate all'industria militare (come la Marina). Sebbene i dipartimenti militari e della difesa cinesi stiano gradualmente rafforzando la loro conoscenza di questo materiale, con il significativo rafforzamento della forza nazionale complessiva della Cina, la necessità di realizzare una strategia militare competitiva del XXI secolo e di migliorare i livelli di equipaggiamento sarà sicuramente molto urgente. 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 proprietà eccellenti diterbioLo rendono un elemento indispensabile per molti materiali funzionali e una posizione insostituibile in alcuni campi applicativi. 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 anche materiali a basso costo.disprosio ferrocobalto o gadolinio terbio cobalto il più possibile; 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 diterbioMa molti materiali funzionali non possono farne a meno, quindi dobbiamo aderire al principio di "usare un buon acciaio sulla lama" e cercare di risparmiare l'uso diterbioil più possibile.
Data di pubblicazione: 25 ottobre 2023