Elementu Magicu di Terra Rara: Terbiu

Terbiuappartene à a categuria di terre rare pesanti, cù una bassa abbundanza in a crosta terrestre à solu 1,1 ppm.Ossidu di terbiurapprisenta menu di 0,01% di u totale di e terre rare. Ancu in u minerale di terre rare pesanti di tipu à altu cuntenutu di ioni d'ittriu cù u più altu cuntenutu di terbiu, u cuntenutu di terbiu rapprisenta solu 1,1-1,2% di u totale.terra rara, chì indica ch'ellu appartene à a categuria "nobile" diterra raraelementi. Dapoi più di 100 anni dapoi a scuperta di u terbiu in u 1843, a so scarsità è u so valore anu impeditu a so applicazione pratica per un bellu pezzu. Hè solu in l'ultimi 30 anni chìterbiuhà dimustratu u so talentu unicu.

Scuprendu a Storia

U chimicu svedese Carl Gustaf Mosander hà scupertu u terbiu in u 1843. Hà scupertu e so impurità inossidu d'ittriuèY2O3. Ittriuhè chjamatu dopu à u paese d'Itby in Svezia. Prima di l'emergenza di a tecnulugia di scambiu ionicu, u terbiu ùn era micca isolatu in a so forma pura.

Mossander hà divisu primaossidu d'ittriuin trè parti, tutte chjamate dopu à i minerali:ossidu d'ittriu, ossidu d'erbiu, èossidu di terbiu. Ossidu di terbiuera cumpostu à l'origine da una parte rosa, per via di l'elementu avà cunnisciutu cum'èerbiu. Ossidu d'erbiu(cumprendu ciò chì chjamemu oghje terbiu) era urighjinariamente una parte incolore in suluzione. L'ossidu insolubile di questu elementu hè cunsideratu marrone.

Più tardi, i travagliadori anu trovu difficiule d'osservà picculi "incolori"ossidu d'erbiu", ma a parte rosa solubile ùn pò esse ignorata. U dibattitu annantu à l'esistenza diossidu d'erbiuhè apparsu ripetutamente. In u caosu, u nome originale hè statu invertitu è ​​u scambiu di nomi hè statu bluccatu, cusì a parte rosa hè stata infine mintuvata cum'è una suluzione chì cuntene erbiu (in a suluzione, era rosa). Si crede avà chì i travagliadori chì utilizanu disulfuru di sodiu o sulfatu di potassiu per caccià u diossidu di ceriu daossidu d'ittriugirate senza vulèterbiuin precipitati chì cuntenenu ceriu. Attualmente cunnisciutu cum'è 'terbiu', solu circa 1% di l'uriginaleossidu d'ittriuhè presente, ma questu hè abbastanza per trasmette un culore giallu chjaru àossidu d'ittriuDunque,terbiuhè un cumpunente secundariu chì inizialmente u cuntene, è hè cuntrullatu da i so vicini immediati,gadoliniuèdisprosiu.

Dopu, ogni volta chì l'altruterra raraelementi sò stati separati da sta mistura, indipendentemente da a proporzione di l'ossidu, u nome di terbiu hè statu cunservatu finu à chì infine, l'ossidu marrone diterbiuhè statu ottenutu in forma pura. I circadori di u XIX seculu ùn anu micca utilizatu a tecnulugia di fluorescenza ultravioletta per osservà noduli gialli o verdi brillanti (III), ciò chì facilitava u ricunniscimentu di u terbiu in miscele o suluzioni solide.

Cunfigurazione elettronica

Disposizione elettronica:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

L'urganizazione elettronica diterbiuhè [Xe] 6s24f9. Nurmalmente, solu trè elettroni ponu esse rimossi prima chì a carica nucleare diventi troppu grande per esse ulteriormente ionizzata. Tuttavia, in u casu diterbiu, u semi pienuterbiupermette una ulteriore ionizazione di u quartu elettrone in presenza di un ossidante assai forte cum'è u gasu fluoruru.

Metallu

Terbiuhè un metallu di terra rara biancu argentu cù duttilità, tenacità è morbidezza chì pò esse tagliatu cù un cultellu. Puntu di fusione 1360 ℃, puntu di ebullizione 3123 ℃, densità 8229 4kg/m3. In paragone cù i primi elementi lantanidi, hè relativamente stabile in aria. U novesimu elementu di l'elementi lantanidi, u terbiu, hè un metallu assai caricatu chì reagisce cù l'acqua per furmà gasu d'idrogenu.

In natura,terbiuùn hè mai statu trovu cum'è un elementu liberu, prisente in piccule quantità in a sabbia di fosforu, ceriu, toriu è in u minerale di siliciu, berilliu, itriu.Terbiucoesiste cù altri elementi di terre rare in a sabbia monazita, cù un cuntenutu di terbiu generalmente di 0,03%. Altre fonti includenu u fosfatu d'ittriu è l'oru di terre rare, tramindui miscele d'ossidi chì cuntenenu finu à 1% di terbiu.

Applicazione

L'applicazione diterbiuImplica soprattuttu campi high-tech, chì sò prughjetti d'avanguardia à alta intensità tecnologica è à alta intensità di cunniscenza, è ancu prughjetti cù benefici ecunomichi significativi, cù prospettive di sviluppu attraenti.

I principali campi d'applicazione includenu:

(1) Adupratu in forma di terre rare miste. Per esempiu, hè adupratu cum'è fertilizante cumpostu di terre rare è additivu per l'alimentazione animale per l'agricultura.

(2) Attivatore per a polvere verde in trè polveri fluorescenti primarie. I materiali optoelettronici muderni richiedenu l'usu di trè culori basi di fosfori, vale à dì rossu, verde è blu, chì ponu esse aduprati per sintetizà diversi culori. Èterbiuhè un cumpunente indispensabile in parechje polveri fluorescenti verdi di alta qualità.

(3) Adupratu cum'è materiale di almacenamentu magnetootticu. I filmi sottili di lega di metallu di transizione di terbiu di metallu amorfu sò stati aduprati per fabricà dischi magnetoottici d'altu rendimentu.

(4) Fabricazione di vetru magnetootticu. U vetru rotatoriu di Faraday chì cuntene terbiu hè un materiale chjave per a fabricazione di rotatori, isolatori è circulatori in a tecnulugia laser.

(5) U sviluppu è u sviluppu di a lega ferromagnetostrittiva di terbiu disprosiu (TerFenol) hà apertu nuove applicazioni per u terbiu.

Per l'agricultura è l'allevamentu

Terra raraterbiupò migliurà a qualità di e culture è aumentà u ritmu di fotosintesi in un certu intervallu di cuncentrazione. I cumplessi di terbiu anu una alta attività biologica, è i cumplessi ternari diterbiu, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, anu boni effetti antibatterichi è battericidi annantu à Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, è Escherichia coli, cù proprietà antibatteriche à largu spettru. U studiu di sti cumplessu furnisce una nova direzzione di ricerca per i medicinali battericidi muderni.

Adupratu in u campu di a luminescenza

I materiali optoelettronici muderni richiedenu l'usu di trè culori basi di fosfori, vale à dì rossu, verde è blu, chì ponu esse aduprati per sintetizà diversi culori. È u terbiu hè un cumpunente indispensabile in parechje polveri fluorescenti verdi di alta qualità. Se a nascita di a polvere fluorescente rossa per TV a culori di terre rare hà stimulatu a dumanda diittriuèeuropiu, tandu l'applicazione è u sviluppu di u terbiu sò stati prumossi da a polvere fluorescente verde di trè culori primari di terre rare per e lampade. À u principiu di l'anni 1980, Philips hà inventatu a prima lampada fluorescente compatta à risparmiu energeticu di u mondu è l'hà prumossa rapidamente in u mondu sanu. L'ioni Tb3+ ponu emette luce verde cù una lunghezza d'onda di 545 nm, è guasi tutte e polveri fluorescenti verdi di terre rare utilizanuterbiu, cum'è attivatore.

A polvere fluorescente verde aduprata per i tubi à raggi catodici di i televisori a culori (CRT) hè sempre stata principalmente basata annantu à u sulfuru di zincu economicu è efficiente, ma a polvere di terbiu hè sempre stata aduprata cum'è polvere verde per i televisori a culori di pruiezione, cum'è Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, è LaOBr: Tb3+. Cù u sviluppu di a televisione à alta definizione à grande schermu (HDTV), si stanu ancu sviluppendu polveri fluorescenti verdi d'altu rendimentu per i CRT. Per esempiu, una polvere fluorescente verde ibrida hè stata sviluppata à l'esteru, custituita da Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+, è Y2SiO5: Tb3+, chì anu una eccellente efficienza di luminescenza à alta densità di corrente.

A polvere fluorescente tradiziunale per i raggi X hè u tungstato di calciu. In l'anni 1970 è 1980, sò state sviluppate polveri fluorescenti di terre rare per schermi di sensibilizazione, cum'èterbiu, ossidu di sulfuru di lantaniu attivatu, ossidu di bromuru di lantaniu attivatu da terbiu (per schermi verdi) è ossidu di sulfuru d'ittriu attivatu da terbiu. In paragone cù u tungstatu di calciu, a polvere fluorescente di terre rare pò riduce u tempu di irradiazione à raggi X per i pazienti di 80%, migliurà a risoluzione di i filmi à raggi X, allargà a durata di vita di i tubi à raggi X è riduce u cunsumu energeticu. U terbiu hè ancu adupratu cum'è attivatore di polvere fluorescente per schermi medichi di miglioramentu di i raggi X, chì pò migliurà assai a sensibilità di a cunversione di i raggi X in immagini ottiche, migliurà a chiarezza di i filmi à raggi X è riduce assai a dosa di esposizione à i raggi X à u corpu umanu (di più di 50%).

Terbiuhè ancu adupratu cum'è attivatore in u fosforu LED biancu eccitatu da a luce blu per a nova illuminazione à semiconduttori. Pò esse adupratu per pruduce fosfori di cristalli ottici magneto-aluminiu-terbiu, aduprendu diodi emettitori di luce blu cum'è fonti di luce d'eccitazione, è a fluorescenza generata hè mischiata cù a luce d'eccitazione per pruduce luce bianca pura.

I materiali elettroluminescenti fatti di terbiu includenu principalmente polvere fluorescente verde di sulfuru di zincu cùterbiucum'è attivatore. Sottu à l'irradiazione ultravioletta, i cumplessi organichi di terbiu ponu emette una forte fluorescenza verde è ponu esse aduprati cum'è materiali elettroluminescenti à film sottile. Ancu s'è sò stati fatti progressi significativi in ​​u studiu diterra raraFilm sottili elettroluminescenti cumplessi organici, ci hè sempre una certa lacuna da a praticità, è a ricerca nantu à i film sottili elettroluminescenti cumplessi organici di terre rare è i dispositivi hè sempre in prufundità.

E caratteristiche di fluorescenza di u terbiu sò ancu aduprate cum'è sonde di fluorescenza. L'interazione trà u cumplessu di ofloxacina terbiu (Tb3+) è l'acidu desossiribonucleicu (DNA) hè stata studiata aduprendu spettri di fluorescenza è assorbimentu, cum'è a sonda di fluorescenza di ofloxacina terbiu (Tb3+). I risultati anu dimustratu chì a sonda di ofloxacina Tb3+ pò furmà un solcu chì si lega cù e molecule di DNA, è l'acidu desossiribonucleicu pò aumentà significativamente a fluorescenza di u sistema ofloxacina Tb3+. Basatu annantu à stu cambiamentu, l'acidu desossiribonucleicu pò esse determinatu.

Per i materiali magnetoottici

I materiali cù effettu Faraday, cunnisciuti ancu cum'è materiali magneto-ottici, sò largamente usati in laser è altri dispositivi ottici. Ci sò dui tipi cumuni di materiali magneto-ottici: cristalli magneto-ottici è vetru magneto-otticu. Frà elli, i cristalli magneto-ottici (cum'è u granatu di ittriu-ferru è u granatu di terbiu-galliu) anu i vantaghji di una frequenza operativa regulabile è di una alta stabilità termica, ma sò cari è difficiuli da fabricà. Inoltre, parechji cristalli magneto-ottici cù anguli di rotazione di Faraday elevati anu un altu assorbimentu in a gamma di onde corte, ciò chì limita u so usu. In paragone cù i cristalli magneto-ottici, u vetru magneto-otticu hà u vantaghju di una alta trasmittanza è hè faciule da trasfurmà in grandi blocchi o fibre. Attualmente, i vetri magneto-ottici cù altu effettu Faraday sò principalmente vetri drogati cù ioni di terre rare.

Adupratu per i materiali di almacenamentu magnetootticu

In l'ultimi anni, cù u rapidu sviluppu di a multimedia è di l'automatizazione di l'uffiziu, a dumanda di novi dischi magnetichi d'alta capacità hè aumentata. I filmi sottili di lega di metallu di transizione di terbiu amorfu sò stati aduprati per fabricà dischi magneto-ottici d'alta prestazione. Trà questi, u film sottile di lega TbFeCo hà e migliori prestazioni. I materiali magneto-ottici à basa di terbiu sò stati prudutti à grande scala, è i dischi magneto-ottici fatti da elli sò aduprati cum'è cumpunenti di almacenamiento di l'urdinatore, cù una capacità di almacenamiento aumentata di 10-15 volte. Anu i vantaghji di una grande capacità è di una velocità d'accessu rapida, è ponu esse puliti è rivestiti decine di migliaia di volte quandu sò aduprati per dischi ottici d'alta densità. Sò materiali impurtanti in a tecnulugia di almacenamiento di l'infurmazioni elettroniche. U materiale magneto-otticu più cumunamente adupratu in e bande visibili è vicinu à l'infrarossu hè u cristallu unicu Terbium Gallium Garnet (TGG), chì hè u megliu materiale magneto-otticu per fà rotatori è isolatori di Faraday.

Per u vetru magnetootticu

U vetru magnetootticu di Faraday hà una bona trasparenza è isotropia in e regioni visibili è infrarosse, è pò furmà diverse forme cumplesse. Hè faciule da pruduce prudutti di grande dimensione è pò esse trascinatu in fibre ottiche. Dunque, hà ampie prospettive d'applicazione in dispositivi magnetoottici cum'è isolatori magnetoottici, modulatori magnetoottici è sensori di corrente in fibra ottica. A causa di u so grande mumentu magneticu è di u so picculu coefficiente d'assorbimentu in a gamma visibile è infrarossa, l'ioni Tb3+ sò diventati ioni di terre rare cumunemente usati in i vetri magnetoottici.

Lega ferromagnetostrittiva di terbiu disprosiu

À a fine di u XXu seculu, cù l'approfondimentu cuntinuu di a rivoluzione tecnologica mundiale, novi materiali d'applicazione di terre rare emergenu rapidamente. In u 1984, l'Università Statale di l'Iowa, u Laboratoriu Ames di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti, è u Centru di Ricerca di Armi di Superficie di a Marina di i Stati Uniti (da u quale hè ghjuntu u persunale principale di a Edge Technology Corporation (ET REMA) dopu creata) anu collaboratu per sviluppà un novu materiale intelligente di terre rare, vale à dì u materiale magnetostrittivu ferromagneticu di terbiu disprosiu. Stu novu materiale intelligente hà eccellenti caratteristiche di cunversione rapida di l'energia elettrica in energia meccanica. I trasduttori subacquei è elettroacustici fatti di stu materiale magnetostrittivu gigante sò stati cunfigurati cù successu in apparecchiature navali, altoparlanti di rilevazione di pozzi petroliferi, sistemi di cuntrollu di rumore è vibrazioni, è sistemi di cumunicazione per l'esplorazione oceanica è sutterranee. Dunque, appena hè natu u materiale magnetostrittivu gigante di terbiu disprosiu ferru, hà ricevutu una larga attenzione da i paesi industrializzati di u mondu sanu. Edge Technologies in i Stati Uniti hà cuminciatu à pruduce materiali magnetostrittivi giganti di terbiu disprosiu ferru in u 1989 è li hà chjamati Terfenol D. In seguitu, Svezia, Giappone, Russia, Regnu Unitu è ​​Australia anu ancu sviluppatu materiali magnetostrittivi giganti di terbiu disprosiu ferru.

Da a storia di u sviluppu di stu materiale in i Stati Uniti, sia l'invenzione di u materiale sia e so prime applicazioni monopolistiche sò direttamente ligate à l'industria militare (cum'è a marina). Ancu s'è i dipartimenti militari è di difesa di a Cina stanu rinfurzandu gradualmente a so cunniscenza di stu materiale. Tuttavia, cù u miglioramentu significativu di a forza naziunale cumpleta di a Cina, a dumanda per ottene una strategia cumpetitiva militare di u XXI seculu è migliurà i livelli di equipaggiamentu serà sicuramente assai urgente. Dunque, l'usu diffusu di materiali magnetostrittivi giganti di terbiu disprosiu ferru da i dipartimenti militari è di difesa naziunale serà una necessità storica.

In breve, e numerose proprietà eccellenti diterbiune facenu un membru indispensabile di parechji materiali funziunali è una pusizione insustituibile in certi campi d'applicazione. Tuttavia, per via di l'altu prezzu di u terbiu, a ghjente hà studiatu cumu evità è minimizà l'usu di terbiu per riduce i costi di pruduzzione. Per esempiu, i materiali magneto-ottici di terre rare devenu ancu aduprà materiali à bassu costuferru disprosiucobaltu o gadoliniu terbiu cobaltu u più pussibule; Pruvate à riduce u cuntenutu di terbiu in a polvere fluorescente verde chì deve esse aduprata. U prezzu hè diventatu un fattore impurtante chì limita l'usu generalizatu diterbiuMa parechji materiali funziunali ùn ponu fà senza ellu, dunque duvemu rispettà u principiu di "utilizà un bonu acciaio nantu à a lama" è pruvà à risparmià l'usu diterbiuu più pussibule.