Elemento magico delle terre rare: terbio

Terbioappartiene alla categoria delle terre rare pesanti, con una bassa abbondanza nella crosta terrestre pari a soli 1,1 ppm.Ossido di terbiorappresenta meno dello 0,01% del totale delle terre rare. Anche nel minerale pesante delle terre rare ad alto contenuto di ioni ittrio con il più alto contenuto di terbio, il contenuto di terbio rappresenta solo l'1,1-1,2% del totaleterre 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 per lungo tempo l'applicazione pratica. È solo negli ultimi 30 anni cheterbioha mostrato 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 intitolate a minerali:ossido di ittrio, ossido di erbio, Eossido di terbio. Ossido di terbioera originariamente composto da una parte rosa, dovuta all'elemento oggi conosciuto comeerbio. Ossido di erbio(incluso quello che oggi chiamiamo terbio) era originariamente una parte incolore in soluzione. L'ossido insolubile di questo elemento è considerato marrone.

Successivamente gli operai trovarono difficile osservare minuscoli incolori”ossido di erbio“, ma la parte rosa solubile non può essere ignorata. Il dibattito sull'esistenza diossido di erbioè più volte emerso. Nel caos, il nome originale fu invertito e lo scambio di nomi rimase bloccato, quindi la parte rosa alla fine fu menzionata come una soluzione contenente erbio (nella soluzione era rosa). Si ritiene ora che i lavoratori che utilizzano bisolfuro di sodio o solfato di potassio rimuovano il biossido di cerioossido di ittriogirarsi involontariamenteterbioin cerio contenente precipitati. Attualmente noto come "terbio', solo circa l'1% dell'originaleossido di ittrioè presente, ma questo è sufficiente a trasmettere un colore giallo chiaroossido di ittrio. Perciò,terbioè un componente secondario che inizialmente lo conteneva ed è controllato dai suoi immediati vicini,gadolinioEdisprosio.

Successivamente, ogni volta che altroterre rareda questa miscela furono separati gli elementi, indipendentemente dalla proporzione dell'ossido, il nome di terbio fu mantenuto finché, infine, l'ossido bruno diterbioè stato ottenuto in forma pura. I ricercatori nel 19° secolo non utilizzavano la tecnologia della fluorescenza ultravioletta per osservare noduli gialli o verdi brillanti (III), rendendo più facile il riconoscimento del terbio in miscele o soluzioni solide.

Configurazione elettronica

Disposizione elettronica:

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 semipienoterbioconsente un'ulteriore ionizzazione del quarto elettrone in presenza di un ossidante molto forte come il fluoro gassoso.

Metallo

Terbioè un metallo delle terre rare bianco argento con duttilità, tenacità e morbidezza che può essere tagliato con un coltello. Punto di fusione 1360 ℃, punto di ebollizione 3123 ℃, densità 8229 4 kg/m3. Rispetto ai primi elementi lantanidi, è relativamente stabile nell'aria. Il nono elemento degli elementi lantanidi, il terbio, è un metallo altamente carico che reagisce con l'acqua per formare idrogeno gassoso.

In natura,terbionon è mai stato riscontrato che sia un elemento libero, presente in piccole quantità nella sabbia di fosforo cerio torio e nel minerale di silicio berillio ittrio.Terbiocoesiste con altri elementi delle terre rare nella sabbia di monazite, con un contenuto di terbio generalmente dello 0,03%. Altre fonti includono fosfato di ittrio e oro delle terre rare, entrambi miscele di ossidi contenenti fino all'1% di terbio.

Applicazione

L'applicazione diterbiocoinvolge principalmente settori ad alta tecnologia, ovvero progetti all’avanguardia ad alta intensità di tecnologia e conoscenza, nonché progetti con notevoli vantaggi economici e con prospettive di sviluppo interessanti.

Le principali aree di applicazione includono:

(1) Utilizzati sotto forma di terre rare miste. Ad esempio, viene utilizzato come fertilizzante composto di terre rare e additivo per mangimi per l'agricoltura.

(2) Attivatore per polvere verde in tre polveri fluorescenti primarie. I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base dei fosfori, vale a dire rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. Eterbioè un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità.

(3) Utilizzato come materiale di memorizzazione magneto-ottico. Film sottili di leghe di metalli di transizione di terbio di 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 lo sviluppo della lega ferromagnetostrittiva del terbio disprosio (TerFenol) ha aperto nuove applicazioni per il terbio.

Per l'agricoltura e la zootecnia

Terra raraterbiopuò migliorare la qualità dei raccolti e aumentare il tasso di fotosintesi entro un certo intervallo di concentrazione. I complessi del terbio hanno un'elevata attività biologica, mentre i complessi ternari delterbio, 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 fornisce 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 dei fosfori, vale a dire rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. E 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 in terre rare ha stimolato la domandaittrioEeuropio, quindi l'applicazione e lo sviluppo del terbio sono stati promossi dalla polvere fluorescente verde di tre colori primari di terre rare per lampade. All'inizio degli anni '80, Philips ha inventato la prima lampada fluorescente compatta a risparmio energetico al mondo e l'ha rapidamente promossa 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 a raggi 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 di proiezione, come Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ e LaOBr: Tb3+. Con lo sviluppo dei televisori ad alta definizione (HDTV) su grande schermo, vengono sviluppate anche polveri fluorescenti verdi ad alte prestazioni per i CRT. Ad esempio, all'estero è stata sviluppata una polvere fluorescente verde ibrida, composta da Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, che hanno un'eccellente efficienza di luminescenza ad alta densità di corrente.

La tradizionale polvere fluorescente a raggi X è il tungstato di calcio. Negli anni '70 e '80 furono sviluppate polveri fluorescenti di terre rare per schermi di sensibilizzazione, cometerbio, ossido 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 a raggi X e ridurre il consumo di energia. Il terbio viene utilizzato anche come attivatore di polvere fluorescente per schermi medici di miglioramento dei raggi X, che può migliorare notevolmente la sensibilità della conversione dei raggi X in immagini ottiche, migliorare la chiarezza delle pellicole a raggi X e ridurre notevolmente la dose di esposizione dei raggi X. raggi al corpo umano (di oltre il 50%).

Terbioviene utilizzato anche come attivatore nel fosforo del LED bianco eccitato dalla luce blu per l'illuminazione di nuovi semiconduttori. Può essere utilizzato per produrre fosfori di cristallo ottico magnetoterbio e alluminio, utilizzando diodi emettitori 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 polvere fluorescente verde solfuro di zinco conterbiocome attivatore. Sotto l'irradiazione ultravioletta, i complessi organici del 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 dalla praticità e la ricerca sui film sottili e sui dispositivi elettroluminescenti complessi organici delle terre rare è ancora approfondita.

Le caratteristiche di fluorescenza del terbio vengono utilizzate anche come sonde di fluorescenza. L'interazione tra il complesso ofloxacina terbio (Tb3+) e l'acido desossiribonucleico (DNA) è stata studiata utilizzando spettri di fluorescenza e assorbimento, come la sonda di fluorescenza dell'ofloxacina terbio (Tb3+). I risultati hanno mostrato che la sonda ofloxacina Tb3+ può formare un solco che si lega alle molecole di DNA e l'acido desossiribonucleico può aumentare significativamente la fluorescenza del sistema ofloxacina Tb3+. Sulla base di questo cambiamento 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: cristalli magneto ottici e vetro magneto ottico. Tra questi, i cristalli magneto-ottici (come il granato di ferro ittrio e il granato di terbio gallio) presentano i vantaggi di una frequenza operativa regolabile e di un'elevata stabilità termica, ma sono costosi e difficili da produrre. Inoltre, molti cristalli magneto-ottici con angoli di rotazione di Faraday elevati hanno un elevato assorbimento nella gamma delle onde corte, il che ne limita l'uso. Rispetto ai cristalli magneto-ottici, il vetro magneto-ottico presenta il vantaggio di un'elevata trasmittanza ed è facile da trasformare in grandi blocchi o fibre. Attualmente, i vetri magneto-ottici con elevato effetto Faraday sono principalmente vetri drogati con ioni di terre rare.

Utilizzato per materiali di memorizzazione magneto-ottici

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della multimedialità e dell'automazione degli uffici, è aumentata la domanda di nuovi dischi magnetici ad alta capacità. Film sottili di leghe di metalli di transizione di terbio di metallo amorfo sono stati utilizzati per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni. Tra questi, il film sottile in lega TbFeCo ha le migliori prestazioni. I materiali magneto-ottici a base di terbio sono stati prodotti su larga scala e i dischi magneto-ottici realizzati con essi vengono utilizzati come componenti di archiviazione dei computer, con capacità di archiviazione aumentata di 10-15 volte. Presentano i vantaggi di una grande capacità e di un'elevata velocità di accesso e possono essere puliti 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 cristallo singolo Terbium Gallium Garnet (TGG), che è il miglior materiale magneto-ottico per realizzare rotatori e isolatori di Faraday.

Per vetro magnetoottico

Il vetro magneto-ottico di Faraday ha una buona trasparenza e isotropia nelle regioni del visibile e dell'infrarosso e può formare varie forme complesse. È facile produrre prodotti di grandi dimensioni e può essere trasformato in fibre ottiche. Pertanto, ha ampie prospettive di applicazione nei dispositivi magneto-ottici come isolatori magneto-ottici, modulatori magneto-ottici e sensori di corrente in fibra ottica. A causa del suo grande momento magnetico e del piccolo coefficiente di assorbimento nella gamma visibile e infrarossa, gli ioni Tb3+ sono diventati ioni di terre rare comunemente usati nei vetri magneto-ottici.

Lega ferromagnetostrittiva di terbio disprosio

Alla fine del 20° secolo, con il continuo aggravarsi della rivoluzione tecnologica mondiale, stavano rapidamente emergendo nuovi materiali per l’applicazione delle terre rare. Nel 1984, l'Iowa State University, l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il Centro di ricerca sulle armi di superficie della Marina statunitense (da cui proveniva il personale principale della successiva Edge Technology Corporation (ET REMA)) collaborarono per sviluppare un nuovo raro materiale intelligente della terra, vale a dire materiale magnetostrittivo ferromagnetico terbio disprosio. Questo nuovo materiale intelligente ha eccellenti caratteristiche di conversione rapida dell'energia elettrica in energia meccanica. I trasduttori subacquei ed elettroacustici realizzati con questo gigantesco materiale magnetostrittivo sono stati configurati con successo in apparecchiature navali, altoparlanti per il rilevamento di pozzi petroliferi, sistemi di controllo del rumore e delle vibrazioni, nonché sistemi di esplorazione oceanica e di comunicazione sotterranea. Pertanto, non appena è nato il materiale magnetostrittivo gigante di ferro terbio disprosio, ha ricevuto un'ampia attenzione da parte dei paesi industrializzati di tutto il mondo. Edge Technologies negli Stati Uniti ha iniziato a produrre materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio nel 1989 e li ha chiamati 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 di difesa cinesi stiano gradualmente rafforzando la loro comprensione di questo materiale. Tuttavia, con il significativo miglioramento della forza nazionale globale della Cina, la richiesta di realizzare una strategia militare competitiva del 21° secolo e di migliorare i livelli di equipaggiamento sarà sicuramente molto urgente. Pertanto, l’uso diffuso di materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio da parte dei dipartimenti militari e della difesa nazionale sarà una necessità storica.

In breve, le tante eccellenti proprietà diterbiolo rendono un componente indispensabile di molti materiali funzionali e una posizione insostituibile in alcuni campi di applicazione. Tuttavia, a causa del prezzo elevato del terbio, le persone hanno studiato come evitare e minimizzare l’uso del terbio per ridurre i costi di produzione. Ad esempio, anche i materiali magneto-ottici delle terre rare dovrebbero essere utilizzati a basso costoferro disprosiocobalto o gadolinio terbio cobalto quanto più possibile; Cercare di ridurre il contenuto di terbio nella polvere verde fluorescente che deve essere utilizzata. Il prezzo è diventato un fattore importante che limita l’uso diffuso diterbio. Ma 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.