Elemento mágico de tierras raras: terbio

Terbiopertenece a la categoría de tierras raras pesadas, con una escasa abundancia en la corteza terrestre de sólo 1,1 ppm.Óxido de terbioRepresenta menos del 0,01% del total de tierras raras. Incluso en el mineral de tierras raras pesadas de tipo alto en iones de itrio con el mayor contenido de terbio, el contenido de terbio solo representa el 1,1-1,2% del total.tierras raras, indicando que pertenece a la categoría “noble” detierras raraselementos. Durante más de 100 años desde el descubrimiento del terbio en 1843, su escasez y valor han impedido durante mucho tiempo su aplicación práctica. Sólo en los últimos 30 añosterbioha demostrado su talento único.

Descubriendo la historia

El químico sueco Carl Gustaf Mosander descubrió el terbio en 1843. Descubrió sus impurezas enóxido de itrioyY2O3. Itriolleva el nombre del pueblo de Itby en Suecia. Antes de la aparición de la tecnología de intercambio iónico, el terbio no se aislaba en su forma pura.

Mossander primero dividióóxido de itrioen tres partes, todas con nombres de minerales:óxido de itrio, óxido de erbio, yóxido de terbio. Óxido de terbiooriginalmente estaba compuesto por una parte rosa, debido al elemento ahora conocido comoerbio. Óxido de erbio(incluido lo que ahora llamamos terbio) era originalmente una parte incolora de la solución. El óxido insoluble de este elemento se considera marrón.

A los trabajadores posteriores les resultó difícil observar diminutas incoloras”óxido de erbio“, pero no se puede ignorar la parte rosada soluble. El debate sobre la existencia deóxido de erbioha surgido repetidamente. En el caos, el nombre original se invirtió y el intercambio de nombres se estancó, por lo que la parte rosa finalmente se mencionó como una solución que contenía erbio (en la solución, era rosa). Ahora se cree que los trabajadores que utilizan disulfuro de sodio o sulfato de potasio para eliminar el dióxido de cerio deóxido de itriogirar involuntariamenteterbioen precipitados que contienen cerio. Actualmente conocido como 'terbio', sólo alrededor del 1% del originalóxido de itrioestá presente, pero esto es suficiente para transmitir un color amarillo claro aóxido de itrio. Por lo tanto,terbioes un componente secundario que inicialmente lo contenía, y está controlado por sus vecinos inmediatos,gadolinioydisprosio.

Posteriormente, cuando otrostierras rarasSe separaron elementos de esta mezcla, sin importar la proporción del óxido, se conservó el nombre de terbio hasta finalmente, el óxido marrón deterbiose obtuvo en forma pura. Los investigadores del siglo XIX no utilizaron la tecnología de fluorescencia ultravioleta para observar nódulos de color amarillo brillante o verde (III), lo que facilitaba el reconocimiento del terbio en mezclas o soluciones sólidas.

configuración electrónica

Diseño electrónico:

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

La disposición electrónica deterbioes [Xe] 6s24f9. Normalmente, sólo se pueden eliminar tres electrones antes de que la carga nuclear se vuelva demasiado grande para seguir ionizándose. Sin embargo, en el caso deterbio, el semi llenoterbiopermite una mayor ionización del cuarto electrón en presencia de un oxidante muy fuerte como el gas flúor.

Metal

TerbioEs un metal de tierras raras de color blanco plateado con ductilidad, dureza y suavidad que se puede cortar con un cuchillo. Punto de fusión 1360 ℃, punto de ebullición 3123 ℃, densidad 8229 4 kg/m3. En comparación con los primeros elementos lantánidos, es relativamente estable en el aire. El noveno elemento de los lantánidos, el terbio, es un metal altamente cargado que reacciona con el agua para formar gas hidrógeno.

En la naturaleza,terbioNunca se ha encontrado que sea un elemento libre, presente en pequeñas cantidades en la arena de fósforo, cerio, torio y en el mineral de silicio, berilio, itrio.Terbiocoexiste con otros elementos de tierras raras en la arena de monacita, con un contenido de terbio generalmente del 0,03%. Otras fuentes incluyen el fosfato de itrio y el oro de tierras raras, los cuales son mezclas de óxidos que contienen hasta un 1% de terbio.

Solicitud

La aplicación deterbioSe trata principalmente de campos de alta tecnología, que son proyectos de vanguardia intensivos en tecnología y conocimientos, así como proyectos con importantes beneficios económicos y atractivas perspectivas de desarrollo.

Las principales áreas de aplicación incluyen:

(1) Utilizado en forma de tierras raras mixtas. Por ejemplo, se utiliza como fertilizante compuesto de tierras raras y aditivo alimentario para la agricultura.

(2) Activador para polvo verde en tres polvos fluorescentes primarios. Los materiales optoelectrónicos modernos requieren el uso de tres colores básicos de fósforo, a saber, rojo, verde y azul, que pueden usarse para sintetizar varios colores. YterbioEs un componente indispensable en muchos polvos fluorescentes verdes de alta calidad.

(3) Utilizado como material de almacenamiento magnetoóptico. Se han utilizado películas delgadas de aleación de metales de transición de terbio y metal amorfo para fabricar discos magnetoópticos de alto rendimiento.

(4) Fabricación de vidrio magnetoóptico. El vidrio giratorio de Faraday que contiene terbio es un material clave para la fabricación de rotadores, aisladores y circuladores en tecnología láser.

(5) El desarrollo y desarrollo de la aleación ferromagnetostrictiva de terbio disprosio (TerFenol) ha abierto nuevas aplicaciones para el terbio.

Para la agricultura y la ganadería

tierras rarasterbioPuede mejorar la calidad de los cultivos y aumentar la tasa de fotosíntesis dentro de un cierto rango de concentración. Los complejos de terbio tienen alta actividad biológica, y los complejos ternarios deterbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, tienen buenos efectos antibacterianos y bactericidas sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis y Escherichia coli, con propiedades antibacterianas de amplio espectro. El estudio de estos complejos proporciona una nueva dirección de investigación para los fármacos bactericidas modernos.

Utilizado en el campo de la luminiscencia.

Los materiales optoelectrónicos modernos requieren el uso de tres colores básicos de fósforo, a saber, rojo, verde y azul, que pueden usarse para sintetizar varios colores. Y el terbio es un componente indispensable en muchos polvos fluorescentes verdes de alta calidad. Si el nacimiento del polvo fluorescente rojo para TV en color de tierras raras ha estimulado la demanda deitrioyeuropioLuego, la aplicación y el desarrollo del terbio han sido promovidos por el polvo fluorescente verde de tres colores primarios de tierras raras para lámparas. A principios de la década de 1980, Philips inventó la primera lámpara fluorescente compacta de bajo consumo del mundo y rápidamente la promocionó a nivel mundial. Los iones Tb3+ pueden emitir luz verde con una longitud de onda de 545 nm, y casi todos los polvos fluorescentes verdes de tierras raras utilizanterbio, como activador.

El polvo fluorescente verde utilizado para los tubos de rayos catódicos (CRT) de televisión en color siempre se ha basado principalmente en sulfuro de zinc barato y eficiente, pero el polvo de terbio siempre se ha utilizado como polvo verde para proyección de televisión en color, como Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, y LaOBr: Tb3+. Con el desarrollo de la televisión de alta definición (HDTV) de pantalla grande, también se están desarrollando polvos fluorescentes verdes de alto rendimiento para CRT. Por ejemplo, en el extranjero se ha desarrollado un polvo fluorescente verde híbrido, compuesto por Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, que tienen una excelente eficiencia de luminiscencia a alta densidad de corriente.

El polvo fluorescente de rayos X tradicional es el tungstato de calcio. En las décadas de 1970 y 1980, se desarrollaron polvos fluorescentes de tierras raras para pantallas de sensibilización, comoterbio, óxido de sulfuro de lantano activado, óxido de bromuro de lantano activado con terbio (para pantallas verdes) y óxido de sulfuro de itrio activado con terbio. En comparación con el tungstato de calcio, el polvo fluorescente de tierras raras puede reducir el tiempo de irradiación de rayos X de los pacientes en un 80%, mejorar la resolución de las películas de rayos X, prolongar la vida útil de los tubos de rayos X y reducir el consumo de energía. El terbio también se utiliza como activador de polvo fluorescente para pantallas de mejora de rayos X médicos, lo que puede mejorar en gran medida la sensibilidad de la conversión de rayos X en imágenes ópticas, mejorar la claridad de las películas de rayos X y reducir en gran medida la dosis de exposición de rayos X. rayos al cuerpo humano (en más del 50%).

TerbioTambién se utiliza como activador en el fósforo LED blanco excitado por luz azul para nueva iluminación de semiconductores. Se puede utilizar para producir fósforos de cristal magnetoópticos de terbio y aluminio, utilizando diodos emisores de luz azul como fuentes de luz de excitación, y la fluorescencia generada se mezcla con la luz de excitación para producir luz blanca pura.

Los materiales electroluminiscentes fabricados a partir de terbio incluyen principalmente polvo fluorescente verde de sulfuro de zinc conterbiocomo activador. Bajo irradiación ultravioleta, los complejos orgánicos de terbio pueden emitir una fuerte fluorescencia verde y pueden usarse como materiales electroluminiscentes de película delgada. Aunque se han logrado avances significativos en el estudio detierras raraspelículas delgadas electroluminiscentes de complejos orgánicos, todavía existe una cierta brecha en la practicidad, y la investigación sobre películas delgadas y dispositivos electroluminiscentes de complejos orgánicos de tierras raras aún está en profundidad.

Las características de fluorescencia del terbio también se utilizan como sondas de fluorescencia. La interacción entre el complejo de ofloxacina terbio (Tb3+) y el ácido desoxirribonucleico (ADN) se estudió mediante espectros de fluorescencia y absorción, como la sonda de fluorescencia de ofloxacina terbio (Tb3+). Los resultados mostraron que la sonda de ofloxacina Tb3+ puede formar un surco de unión con moléculas de ADN, y el ácido desoxirribonucleico puede mejorar significativamente la fluorescencia del sistema de ofloxacina Tb3+. A partir de este cambio se puede determinar el ácido desoxirribonucleico.

Para materiales magnetoópticos

Los materiales con efecto Faraday, también conocidos como materiales magnetoópticos, se utilizan ampliamente en láseres y otros dispositivos ópticos. Hay dos tipos comunes de materiales magnetoópticos: cristales magnetoópticos y vidrio magnetoóptico. Entre ellos, los cristales magnetoópticos (como el granate de itrio y hierro y el granate de terbio y galio) tienen las ventajas de una frecuencia de funcionamiento ajustable y una alta estabilidad térmica, pero son caros y difíciles de fabricar. Además, muchos cristales magnetoópticos con altos ángulos de rotación de Faraday tienen una alta absorción en el rango de onda corta, lo que limita su uso. En comparación con los cristales magnetoópticos, el vidrio magnetoóptico tiene la ventaja de una alta transmitancia y es fácil de convertir en grandes bloques o fibras. En la actualidad, los vidrios magnetoópticos con alto efecto Faraday son principalmente vidrios dopados con iones de tierras raras.

Utilizado para materiales de almacenamiento magnetoóptico.

En los últimos años, con el rápido desarrollo de la multimedia y la ofimática, ha ido aumentando la demanda de nuevos discos magnéticos de alta capacidad. Se han utilizado películas delgadas de aleación de metales de transición de terbio y metal amorfo para fabricar discos magnetoópticos de alto rendimiento. Entre ellos, la película delgada de aleación TbFeCo tiene el mejor rendimiento. Se han producido a gran escala materiales magnetoópticos a base de terbio, y los discos magnetoópticos fabricados con ellos se utilizan como componentes de almacenamiento de computadoras, cuya capacidad de almacenamiento aumenta entre 10 y 15 veces. Tienen las ventajas de una gran capacidad y una rápida velocidad de acceso, y pueden limpiarse y recubrirse decenas de miles de veces cuando se utilizan para discos ópticos de alta densidad. Son materiales importantes en la tecnología de almacenamiento de información electrónica. El material magnetoóptico más utilizado en las bandas visible e infrarroja cercana es el cristal único Terbium Gallium Garnet (TGG), que es el mejor material magnetoóptico para fabricar rotores y aisladores de Faraday.

Para vidrio magnetoóptico

El vidrio magnetoóptico de Faraday tiene buena transparencia e isotropía en las regiones visible e infrarroja y puede adoptar diversas formas complejas. Es fácil producir productos de gran tamaño y se puede transformar en fibras ópticas. Por lo tanto, tiene amplias perspectivas de aplicación en dispositivos magnetoópticos como aisladores magnetoópticos, moduladores magnetoópticos y sensores de corriente de fibra óptica. Debido a su gran momento magnético y su pequeño coeficiente de absorción en el rango visible e infrarrojo, los iones Tb3+ se han convertido en iones de tierras raras comúnmente utilizados en vidrios magnetoópticos.

Aleación ferromagnetostrictiva de terbio disprosio

A finales del siglo XX, con la continua profundización de la revolución tecnológica mundial, estaban surgiendo rápidamente nuevos materiales de aplicación de tierras raras. En 1984, la Universidad Estatal de Iowa, el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE.UU. y el Centro de Investigación de Armas de Superficie de la Armada de EE.UU. (de donde procedía el personal principal de la más tarde creada Edge Technology Corporation (ET REMA)) colaboraron para desarrollar un nuevo y raro material inteligente terrestre, concretamente material magnetoestrictivo ferromagnético de terbio disprosio. Este nuevo material inteligente tiene excelentes características para convertir rápidamente la energía eléctrica en energía mecánica. Los transductores submarinos y electroacústicos fabricados con este material magnetoestrictivo gigante se han configurado con éxito en equipos navales, altavoces de detección de pozos petroleros, sistemas de control de ruido y vibraciones, y sistemas de comunicación subterránea y exploración oceánica. Por lo tanto, tan pronto como nació el material magnetoestrictivo gigante de hierro terbio disprosio, recibió una amplia atención por parte de los países industrializados de todo el mundo. Edge Technologies en los Estados Unidos comenzó a producir materiales magnetoestrictivos gigantes de terbio disprosio hierro en 1989 y los denominó Terfenol D. Posteriormente, Suecia, Japón, Rusia, el Reino Unido y Australia también desarrollaron materiales magnetoestrictivos gigantes de terbio disprosio hierro.

De la historia del desarrollo de este material en los Estados Unidos, tanto la invención del material como sus primeras aplicaciones monopolísticas están directamente relacionadas con la industria militar (como la marina). Aunque los departamentos militar y de defensa de China están fortaleciendo gradualmente su comprensión de este material. Sin embargo, con el aumento significativo de la fuerza nacional integral de China, la demanda de lograr una estrategia militar competitiva del siglo XXI y mejorar los niveles de equipamiento será definitivamente muy urgente. Por lo tanto, el uso generalizado de materiales magnetoestrictivos gigantes de hierro con terbio disprosio por parte de los departamentos militares y de defensa nacional será una necesidad histórica.

En resumen, las excelentes propiedades deterbiolo convierten en un miembro indispensable de muchos materiales funcionales y una posición insustituible en algunos campos de aplicación. Sin embargo, debido al alto precio del terbio, se ha estado estudiando cómo evitar y minimizar el uso de terbio para reducir los costos de producción. Por ejemplo, los materiales magnetoópticos de tierras raras también deberían utilizar materiales de bajo coste.hierro disprosiocobalto o gadolinio terbio cobalto tanto como sea posible; Intente reducir el contenido de terbio en el polvo fluorescente verde que debe utilizarse. El precio se ha convertido en un factor importante que restringe el uso generalizado deterbio. Pero muchos materiales funcionales no pueden prescindir de él, por lo que debemos atenernos al principio de "utilizar buen acero en la hoja" y tratar de ahorrar el uso deterbiotodo lo posible.