Hoe de verborgen eigenschappen van zeldzame aardmetalen moderne technologie mogelijk maken

In de space-opera van Frank Herbert Duineen kostbare natuurlijke stof genaamd kruidenmelange, geeft mensen de mogelijkheid om door uitgestrekte kosmos te navigeren om een ​​intergalactische beschaving op te bouwen.

In het echte leven hier op aarde heeft een groep natuurlijke metalen, bekend als de zeldzame aardmetalen, onze eigen door technologie aangedreven samenleving mogelijk gemaakt. De vraag naar deze cruciale componenten in bijna alle moderne elektronica stijgt enorm.

Zeldzame aardmetalen vervullen duizenden verschillende behoeften – cerium wordt bijvoorbeeld gebruikt als katalysator om aardolie te raffineren en gadolinium vangt neutronen op in kernreactoren. Maar de meest opvallende eigenschappen van deze elementen liggen in hun luminescentie en magnetisme.

We vertrouwen op zeldzame aardmetalen om onze smartphoneschermen te kleuren, te fluoresceren om de echtheid van eurobankbiljetten aan te geven en signalen door te geven via glasvezelkabels over de zeebodem. Ze zijn ook essentieel voor het bouwen van enkele van ’s werelds sterkste en meest betrouwbare magneten. Ze genereren geluidsgolven in je koptelefoon, stimuleren digitale informatie door de ruimte en verschuiven de banen van hittezoekende raketten. Zeldzame aardmetalen stimuleren ook de groei van groene technologieën, zoals windenergie en elektrische voertuigen, en kunnen zelfs aanleiding geven tot nieuwe componenten voor kwantumcomputers.

“De lijst gaat maar door en door”, zegt Stephen Boyd, een synthetisch chemicus en onafhankelijk adviseur. “Ze zijn overal.”

De superkrachten van zeldzame aardmetalen komen van hun elektronen

De zeldzame aardmetalen zijn de lanthaniden – lutetium en alle 14 elementen tussen lanthaan en ytterbium in één rij van het periodiek systeem – plus scandium en yttrium, die meestal voorkomen in dezelfde ertsafzettingen en vergelijkbare chemische eigenschappen hebben als de lanthaniden. Deze grijze tot zilverachtige metalen zijn vaak kneedbaar met hoge smelt- en kookpunten.

Hun geheime krachten liggen in hun elektronen. Alle atomen hebben een kern omringd door elektronen, die zones bewonen die orbitalen worden genoemd. Elektronen in de orbitalen die het verst van de kern verwijderd zijn, zijn de valentie-elektronen, die deelnemen aan chemische reacties en bindingen vormen met andere atomen.

De meeste lanthaniden bezitten nog een belangrijke set elektronen, de “f-elektronen” genaamd, die in een Goldilocks-zone wonen nabij de valentie-elektronen maar iets dichter bij de kern. “Het zijn deze f-elektronen die verantwoordelijk zijn voor zowel de magnetische als de luminescerende eigenschappen van de zeldzame aardelementen”, zegt Ana de Bettencourt-Dias, anorganisch chemicus aan de Universiteit van Nevada, Reno.

Plaats op het periodiek systeem

De zeldzame aarden zijn een groep van 17 elementen (blauw gemarkeerd op het periodiek systeem). Een subset van zeldzame aardmetalen die bekend staan ​​als de lanthaniden (lutetium, Lu, plus de rij die begint met lanthaan, La) bevatten elk een subschil die typisch f-elektronen herbergt, die de elementen magnetische en luminescerende eigenschappen verlenen.

Zeldzame aardmetalen voegen kleur en licht toe

Langs sommige kusten gloeit de nachtelijke zee af en toe blauwachtig groen terwijl bioluminescent plankton in de golven wordt geduwd. Zeldzame aardmetalen stralen ook licht uit wanneer ze worden gestimuleerd. De truc is om hun f-elektronen te kietelen, zegt de Bettencourt-Dias.

Met behulp van een energiebron, zoals een laser of lamp, kunnen wetenschappers en ingenieurs een van de f-elektronen van een zeldzame aarde met een schok in een aangeslagen toestand brengen en vervolgens laten terugvallen in lethargie, of de grondtoestand. “Als de lanthaniden terugkeren naar de grondtoestand,” zegt ze, “stralen ze licht uit.”

Elke zeldzame aarde zendt bij opwinding op betrouwbare wijze precieze golflengten van licht uit, zegt de Bettencourt-Dias. Deze betrouwbare precisie stelt ingenieurs in staat om elektromagnetische straling in veel elektronica zorgvuldig af te stemmen. Terbium zendt bijvoorbeeld licht uit met een golflengte van ongeveer 545 nanometer, waardoor het goed is voor het maken van groene fosforen in televisie-, computer- en smartphoneschermen. Europium, dat twee veel voorkomende vormen heeft, wordt gebruikt om rode en blauwe fosforen te bouwen. Alles bij elkaar kunnen deze fosforen schermen schilderen met de meeste tinten van de regenboog.

Zeldzame aardmetalen stralen ook nuttig onzichtbaar licht uit. Yttrium is een belangrijk ingrediënt in yttrium-aluminium-granaat, of YAG, een synthetisch kristal dat de kern vormt van veel krachtige lasers. Ingenieurs stemmen de golflengten van deze lasers af door YAG-kristallen te rijgen met een andere zeldzame aarde. De meest populaire variant zijn neodymium-geregen YAG-lasers, die voor alles worden gebruikt, van het snijden van staal tot het verwijderen van tatoeages tot laserafstandsmeting. Erbium-YAG-laserstralen zijn een goede optie voor minimaal invasieve operaties, omdat ze gemakkelijk worden geabsorbeerd door water in het vlees en dus niet te diep snijden.

Naast lasers is lanthaan cruciaal voor het maken van het infraroodabsorberende glas in nachtkijkers. “En erbium drijft ons internet aan”, zegt Tian Zhong, moleculair ingenieur aan de Universiteit van Chicago. Veel van onze digitale informatie reist door optische vezels als licht met een golflengte van ongeveer 1550 nanometer – dezelfde golflengte die erbium uitzendt. De signalen in glasvezelkabels dimmen naarmate ze ver van hun bron verwijderd zijn. Omdat die kabels zich duizenden kilometers over de zeebodem kunnen uitstrekken, wordt erbium aan vezels toegevoegd om signalen te versterken.

Zeldzame aardmetalen maken machtige magneten

In 1945 bouwden wetenschappers ENIAC, ’s werelds eerste programmeerbare digitale computer voor algemeen gebruik (SN: 23/02/46, p. 118). ENIAC, bijgenaamd de “Giant Brain”, woog meer dan vier olifanten en had een voetafdruk van ongeveer twee derde van de grootte van een tennisbaan.

Minder dan 80 jaar later past de alomtegenwoordige smartphone — met veel meer rekenkracht dan ENIAC ooit deed — precies in onze handpalmen. De samenleving heeft deze miniaturisering van elektronische technologie grotendeels te danken aan de uitzonderlijke magnetische kracht van de zeldzame aardmetalen. Kleine zeldzame-aardemagneten kunnen hetzelfde werk doen als grotere magneten zonder zeldzame aardmetalen.

Het zijn die f-elektronen in het spel. Zeldzame aardmetalen hebben veel orbitalen van elektronen, maar de f-elektronen bewonen een specifieke groep van zeven orbitalen die de 4f-subshell worden genoemd. In elke subschil proberen elektronen zich te verspreiden over de orbitalen binnenin. Elke orbitaal kan maximaal twee elektronen huisvesten. Maar aangezien de 4f-subshell zeven orbitalen bevat en de meeste zeldzame aarden minder dan 14 f-elektronen bevatten, hebben de elementen de neiging om meerdere orbitalen te hebben met slechts één elektron. Neodymium-atomen hebben bijvoorbeeld vier van deze eenlingen, terwijl dysprosium en samarium er vijf hebben. Cruciaal is dat deze ongepaarde elektronen de neiging hebben om in dezelfde richting te wijzen – of te draaien -, zegt Boyd. “Dat is wat de noord- en de zuidpool creëert die we klassiek begrijpen als magnetisme.”

Omdat deze eenzame f-elektronen achter een schil van valentie-elektronen fladderen, zijn hun gesynchroniseerde spins enigszins afgeschermd van demagnetiserende krachten zoals hitte en andere magnetische velden, waardoor ze geweldig zijn voor het bouwen van permanente magneten, zegt Zhong. Permanente magneten, zoals degene die foto’s op een koelkastdeur houden, genereren passief magnetische velden die voortkomen uit hun atomaire structuur, in tegenstelling tot elektromagneten, die een elektrische stroom nodig hebben en kunnen worden uitgeschakeld.

Maar zelfs met hun afscherming hebben de zeldzame aardmetalen grenzen. Zuiver neodymium, bijvoorbeeld, corrodeert gemakkelijk en breekt, en de magnetische aantrekkingskracht begint boven de 80 ° Celsius aan kracht te verliezen. Daarom legeren fabrikanten enkele zeldzame aardmetalen met andere metalen om veerkrachtigere magneten te maken, zegt Durga Paudyal, een theoretisch natuurkundige aan het Ames National Laboratory in Iowa. Dit werkt goed omdat sommige zeldzame aardmetalen de magnetische velden van andere metalen kunnen orkestreren, zegt hij. Net zoals gewogen dobbelstenen bij voorkeur op één kant landen, vertonen sommige zeldzame aardmetalen zoals neodymium en samarium een ​​sterker magnetisme in bepaalde richtingen omdat ze ongelijk gevulde orbitalen in hun 4f-subshells bevatten. Deze directionaliteit, magnetische anisotropie genaamd, kan worden gebruikt om de velden van andere metalen zoals ijzer of kobalt te coördineren om robuuste, extreem krachtige magneten te formuleren.

De krachtigste magneten van zeldzame-aardelegeringen zijn neodymium-ijzer-boormagneten. Een magneet van drie kilogram neodymiumlegering kan bijvoorbeeld objecten optillen die meer dan 300 kilogram wegen. Meer dan 95 procent van ’s werelds permanente magneten zijn gemaakt van deze zeldzame aardmetalen legering. Neodymium-ijzer-boormagneten genereren trillingen in smartphones, produceren geluid in oordopjes en koptelefoons, maken het lezen en schrijven van gegevens op harde schijven mogelijk en genereren de magnetische velden die worden gebruikt in MRI-machines. En het toevoegen van een beetje dysprosium aan deze magneten kan de hittebestendigheid van de legering verhogen, waardoor het een goede keuze is voor de rotoren die draaien in het hete interieur van veel elektrische voertuigmotoren.

Samarium-kobaltmagneten, ontwikkeld in de jaren zestig, waren de eerste populaire zeldzame-aardemagneten. Hoewel ze iets zwakker zijn dan neodymium-ijzer-boormagneten, hebben samarium-kobaltmagneten een superieure hitte- en corrosieweerstand, dus ze worden ingezet in hogesnelheidsmotoren, generatoren, snelheidssensoren in auto’s en vliegtuigen, en in de bewegende delen van enkele hittezoekende raketten. Samarium-kobaltmagneten vormen ook het hart van de meeste reizende golfbuizen, die signalen van radarsystemen en communicatiesatellieten versterken. Sommige van deze buizen zenden gegevens uit van het ruimtevaartuig Voyager 1 – momenteel het verste door mensen gemaakte object – meer dan 23 miljard kilometer verderop (SN: 31-07-21, p. 18).

Omdat ze sterk en betrouwbaar zijn, ondersteunen zeldzame-aardemagneten groene technologieën. Ze zitten in de motoren, aandrijflijnen, stuurbekrachtiging en vele andere componenten van elektrische voertuigen. Tesla’s gebruik van magneten van neodymiumlegering in de meest uiteenlopende Model 3-voertuigen heeft geleid tot zorgen over de toeleveringsketen; China levert de overgrote meerderheid van ’s werelds neodymium (SN: 1/11/23).

Zeldzame-aardemagneten worden ook gebruikt in veel offshore windturbines om versnellingsbakken te vervangen, wat de efficiëntie verhoogt en het onderhoud vermindert. In augustus introduceerden Chinese ingenieurs ‘Rainbow’, ’s werelds eerste magneetzweeftreinlijn op basis van zeldzame-aardemagneten waardoor de treinen kunnen zweven zonder elektriciteit te verbruiken.

In de toekomst kunnen zeldzame aardmetalen zelfs kwantumcomputing bevorderen. Terwijl conventionele computers binaire bits gebruiken (die enen en nullen), gebruiken kwantumcomputers qubits, die twee toestanden tegelijk kunnen innemen. Het blijkt dat kristallen met zeldzame aardmetalen goede qubits zijn, omdat de afgeschermde f-elektronen kwantuminformatie voor lange tijd kunnen opslaan, zegt Zhong. Op een dag zouden computerwetenschappers zelfs de lichtgevende eigenschappen van zeldzame aardmetalen in qubits kunnen gebruiken om informatie uit te wisselen tussen kwantumcomputers en een kwantuminternet te creëren, zegt hij.

Het is misschien nog te vroeg om precies te voorspellen hoe de zeldzame aardmetalen de uitbreiding van deze groeiende technologieën zullen blijven beïnvloeden. Maar het is waarschijnlijk veilig om te zeggen: we zullen meer zeldzame aardmetalen nodig hebben.