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Materiales de tierras raras nanométricas, una nueva fuerza en la revolución industrial

La nanotecnología es un nuevo campo interdisciplinario que se desarrolló gradualmente a finales de los años ochenta y principios de los noventa. Su gran potencial para crear nuevos procesos de producción, materiales y productos impulsará una nueva revolución industrial en el nuevo siglo. El nivel actual de desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología es similar al de la informática y la tecnología de la información en la década de 1950. La mayoría de los científicos dedicados a este campo prevén que el desarrollo de la nanotecnología tendrá un impacto amplio y de gran alcance en muchos aspectos de la tecnología. Los científicos creen que posee propiedades singulares y un rendimiento único. Los principales efectos de confinamiento que dan lugar a las propiedades singulares de los nanomateriales de tierras raras son el efecto de superficie específica, el efecto de tamaño pequeño, el efecto de interfaz, el efecto de transparencia, el efecto túnel y el efecto cuántico macroscópico. Estos efectos diferencian las propiedades físicas del nanosistema de las de los materiales convencionales en cuanto a luz, electricidad, calor y magnetismo, y presentan numerosas características novedosas. En el futuro, la investigación y el desarrollo de la nanotecnología se orientarán principalmente a tres áreas: preparación y aplicación de nanomateriales con un rendimiento excelente; diseño y preparación de diversos dispositivos y equipos nanométricos; Detección y análisis de las propiedades de las nanoregiones. Actualmente, las nanotierras raras se aplican principalmente en las siguientes áreas, y su aplicación requiere mayor desarrollo en el futuro.

Óxido de lantano nanométrico (La2O3)

El óxido de lantano nanométrico se aplica a materiales piezoeléctricos, materiales electrotérmicos, materiales termoeléctricos, materiales de magnetorresistencia, materiales luminiscentes (polvo azul), materiales de almacenamiento de hidrógeno, vidrio óptico, materiales láser, diversos materiales de aleación, catalizadores para preparar productos químicos orgánicos y catalizadores para neutralizar los gases de escape de los automóviles, y las películas agrícolas de conversión de luz también se aplican al óxido de lantano nanométrico.

Óxido de cerio nanométrico (CeO2)

Los principales usos del nanoóxido de cerio son los siguientes: 1. Como aditivo para vidrio, el nanoóxido de cerio absorbe los rayos ultravioleta e infrarrojos, y se ha aplicado al vidrio de automóviles. No solo previene los rayos ultravioleta, sino que también reduce la temperatura interior del vehículo, ahorrando así electricidad para el aire acondicionado. 2. La aplicación de nanoóxido de cerio en catalizadores de purificación de gases de escape de automóviles puede prevenir eficazmente la emisión de grandes cantidades de gases de escape al aire. 3. El nanoóxido de cerio se puede utilizar en pigmentos para colorear plásticos, así como en las industrias de recubrimientos, tintas y papel. 4. La aplicación de nanoóxido de cerio en materiales de pulido ha sido ampliamente reconocida como un requisito de alta precisión para el pulido de obleas de silicio y sustratos monocristalinos de zafiro. 5. Además, el nano óxido de cerio también se puede aplicar a materiales de almacenamiento de hidrógeno, materiales termoeléctricos, electrodos de tungsteno de nano óxido de cerio, condensadores cerámicos, cerámicas piezoeléctricas, abrasivos de carburo de silicio de nano óxido de cerio, materias primas de pilas de combustible, catalizadores de gasolina, algunos materiales magnéticos permanentes, diversos aceros aleados y metales no ferrosos, etc.

El óxido de praseodimio nanométrico (Pr6O11)

Los principales usos del óxido de praseodimio nanométrico son los siguientes: 1. Se utiliza ampliamente en cerámica de construcción y cerámica de uso diario. Se puede mezclar con esmalte cerámico para hacer esmalte de color y también se puede utilizar solo como pigmento bajo cubierta. El pigmento preparado es amarillo claro con un tono puro y elegante. 2. Se utiliza para fabricar imanes permanentes y se utiliza ampliamente en diversos dispositivos electrónicos y motores. 3. Se utiliza para el craqueo catalítico del petróleo. Se puede mejorar la actividad, la selectividad y la estabilidad de la catálisis. 4. El óxido de praseodimio nanométrico también se puede utilizar para el pulido abrasivo. Además, la aplicación del óxido de praseodimio nanométrico en el campo de la fibra óptica es cada vez más extensa. Óxido de neodimio nanométrico (Nd2O3) El óxido de neodimio nanométrico se ha convertido en un punto de interés en el mercado durante muchos años debido a su posición única en el campo de las tierras raras. El nanoóxido de neodimio también se aplica a materiales no ferrosos. Añadir entre un 1,5 % y un 2,5 % de nanoóxido de neodimio a aleaciones de magnesio o aluminio puede mejorar su rendimiento a altas temperaturas, su hermeticidad y su resistencia a la corrosión. Además, se utiliza ampliamente como material para la aviación. Además, el nanogranate de itrio y aluminio dopado con nanoóxido de neodimio produce un haz láser de onda corta, ampliamente utilizado para soldar y cortar materiales delgados con espesores inferiores a 10 mm en la industria. En el sector médico, el láser nano-YAG dopado con nano-Nd_2O_3 se utiliza para eliminar o desinfectar heridas quirúrgicas en lugar de bisturíes. El nanoóxido de neodimio también se utiliza para colorear vidrio y materiales cerámicos, productos de caucho y aditivos.

Nanopartículas de óxido de samario (Sm2O3)

Los principales usos del óxido de samario nanométrico son: su color amarillo claro se aplica en condensadores y catalizadores cerámicos. Además, posee propiedades nucleares y puede emplearse como material estructural, de blindaje y de control en reactores de energía atómica, permitiendo un uso seguro de la enorme energía generada por la fisión nuclear. Las nanopartículas de óxido de europio (Eu₂O₃) se utilizan principalmente en fósforos. El Eu₃+ se utiliza como activador del fósforo rojo y el Eu₂+, como fósforo azul. El Y₂O₃:Eu₃+ es el fósforo con mejor rendimiento luminoso, estabilidad del recubrimiento y coste de recuperación, y se utiliza ampliamente gracias a su mejora en el rendimiento luminoso y el contraste. Recientemente, el nanoóxido de europio también se utiliza como fósforo de emisión estimulada en nuevos sistemas de diagnóstico médico por rayos X. Este nanoóxido también se puede utilizar en la fabricación de lentes de color y filtros ópticos, así como en dispositivos de almacenamiento de burbujas magnéticas, y ha demostrado su potencial en materiales de control, materiales de blindaje y materiales estructurales de reactores atómicos. El fósforo rojo de óxido de gadolinio y europio (Y₂O₃:Eu₃+) de partículas finas se preparó utilizando nanoóxido de itrio (Y₂O₃) y nanoóxido de europio (Eu₂O₃) como materias primas. Al utilizarlo para preparar fósforo tricolor de tierras raras, se observó que: (a) se puede mezclar de forma uniforme con polvo verde y polvo azul; (b) presenta un buen rendimiento de recubrimiento; (c) debido al pequeño tamaño de partícula del polvo rojo, el área superficial específica aumenta y el número de partículas luminiscentes aumenta, lo que permite reducir la cantidad de polvo rojo en los fósforos tricolor de tierras raras, lo que resulta en un menor costo.

Nanopartículas de óxido de gadolinio (Gd2O3)

Sus principales usos son los siguientes: 1. Su complejo paramagnético soluble en agua puede mejorar la señal de imágenes de RMN del cuerpo humano en tratamientos médicos. 2. El óxido de azufre base se puede utilizar como matriz de tubos de osciloscopios y pantallas de rayos X con un brillo especial. 3. El óxido de nanogadolinio en granate de galio y nanogadolinio es un sustrato único ideal para la memoria de burbuja magnética. 4. Cuando no existe límite de ciclo de Camot, se puede utilizar como medio sólido de refrigeración magnética. 5. Se utiliza como inhibidor para controlar el nivel de reacción en cadena en centrales nucleares y garantizar la seguridad de las reacciones nucleares. Además, el uso de óxido de nanogadolinio y óxido de nanolantano ayuda a modificar la región de vitrificación y mejorar la estabilidad térmica del vidrio. El óxido de nanogadolinio también se puede utilizar en la fabricación de condensadores y pantallas intensificadoras de rayos X. Actualmente, se están realizando grandes esfuerzos a nivel mundial para desarrollar la aplicación del óxido de nanogadolinio y sus aleaciones en la refrigeración magnética, y se han logrado avances significativos.

Nanopartículas de óxido de terbio (Tb4O7)

Los principales campos de aplicación son los siguientes: 1. Los fósforos se utilizan como activadores de polvo verde en fósforos tricolores, como la matriz de fosfato activada por nanoóxido de terbio, la matriz de silicato activada por nanoóxido de terbio y la matriz de aluminato de magnesio y óxido de cerio activada por nanoóxido de terbio, que emiten luz verde en estado excitado. 2. Materiales de almacenamiento magnetoóptico. En los últimos años, se han investigado y desarrollado materiales magnetoópticos de nanoóxido de terbio. El disco magnetoóptico de película amorfa de Tb-Fe se utiliza como elemento de almacenamiento informático, y su capacidad puede aumentarse de 10 a 15 veces. 3. El vidrio magnetoóptico, vidrio ópticamente activo de Faraday que contiene óxido de terbio nanométrico, es un material clave para la fabricación de rotadores, aisladores y anuladores, y se utiliza ampliamente en tecnología láser. El óxido de terbio nanométrico (óxido de disprosio nanométrico) se utiliza principalmente en sonares y se ha utilizado ampliamente en diversos campos, como sistemas de inyección de combustible, control de válvulas de líquido, microposicionamiento, actuadores mecánicos, mecanismos y reguladores de alas de telescopios espaciales de aeronaves. Los principales usos del óxido de disprosio nanométrico Dy₂O₃ son: 1. El óxido de disprosio nanométrico se utiliza como activador de fósforo, y el óxido de disprosio nanométrico trivalente es un ion activador prometedor de materiales luminiscentes tricolores con un solo centro luminiscente. Consta principalmente de dos bandas de emisión: una de luz amarilla y otra de luz azul. Los materiales luminiscentes dopados con óxido de disprosio nanométrico pueden utilizarse como fósforos tricolores. 2. El óxido de disprosio nanométrico es una materia prima metálica necesaria para preparar la aleación de Terfenol con gran aleación magnetoestrictiva de óxido de nano-terbio y óxido de nano-disprosio, que puede realizar algunas actividades precisas de movimiento mecánico. 3. El metal de óxido de disprosio nanométrico se puede utilizar como material de almacenamiento magnetoóptico con alta velocidad de grabación y sensibilidad de lectura. 4. Se utiliza para la preparación de la lámpara de óxido de disprosio nanométrica. La sustancia de trabajo utilizada en la lámpara de óxido de disprosio nanométrico es óxido de disprosio nanométrico, que tiene las ventajas de alto brillo, buen color, alta temperatura de color, tamaño pequeño y arco estable, y se ha utilizado como fuente de iluminación para películas e impresión. 5. El óxido de disprosio nanométrico se utiliza para medir el espectro de energía de los neutrones o como absorbedor de neutrones en la industria de la energía atómica debido a su gran área transversal de captura de neutrones.

Ho_2O_3 Nanómetro

Los principales usos del nanoóxido de holmio son los siguientes: 1. Como aditivo para lámparas halógenas metálicas, estas lámparas son un tipo de lámpara de descarga de gas, desarrolladas a partir de lámparas de mercurio de alta presión. Su característica principal es que la bombilla está llena de diversos haluros de tierras raras. Actualmente, se utilizan principalmente yoduros de tierras raras, que emiten diferentes líneas espectrales al descargar gas. La sustancia activa utilizada en las lámparas de nanoóxido de holmio es el yoduro de nanoóxido de holmio, que permite obtener una mayor concentración de átomos metálicos en la zona de arco, mejorando así considerablemente la eficiencia de la radiación. 2. El nanoóxido de holmio se puede utilizar como aditivo para el granate de itrio-hierro o de itrio-aluminio; 3. El nanoóxido de holmio se puede utilizar como granate de itrio-hierro-aluminio (Ho:YAG), que puede emitir láser de 2 μm, y la tasa de absorción del tejido humano a láser de 2 μm es alta. Es casi tres órdenes de magnitud mayor que la del Hd:YAG0. Por lo tanto, al utilizar el láser Ho:YAG en operaciones médicas, no solo se mejora la eficiencia y precisión de la operación, sino que también se reduce el área de daño térmico. El haz libre generado por el nanocristal de óxido de holmio puede eliminar la grasa sin generar calor excesivo, reduciendo así el daño térmico causado por los tejidos sanos. Se ha informado que el tratamiento del glaucoma con láser nanométrico de óxido de holmio en Estados Unidos puede reducir el dolor de la cirugía. 4. En la aleación magnetoestrictiva Terfenol-D, también se puede añadir una pequeña cantidad de óxido de holmio de tamaño nanométrico para reducir el campo externo necesario para la magnetización de saturación de la aleación. 5. Además, la fibra óptica dopada con nanoóxido de holmio se puede utilizar para fabricar dispositivos de comunicación óptica como láseres de fibra óptica, amplificadores de fibra óptica, sensores de fibra óptica, etc. Desempeñará un papel más importante en la rápida comunicación por fibra óptica actual.

Óxido de itrio nanométrico (Y2O3)

Los principales usos del nano óxido de itrio son los siguientes: 1. Aditivos para acero y aleaciones no ferrosas. La aleación FeCr usualmente contiene 0.5%~4% de nano óxido de itrio, que puede mejorar la resistencia a la oxidación y la ductilidad de estos aceros inoxidables. Después de agregar la cantidad adecuada de tierras raras mixtas ricas en óxido de itrio nanométrico en la aleación MB26, las propiedades integrales de la aleación fueron mejoradas obviamente ayer, Puede reemplazar algunas aleaciones de aluminio medias y fuertes para los componentes estresados de las aeronaves; Agregar una pequeña cantidad de tierras raras de nano óxido de itrio en la aleación Al-Zr puede mejorar la conductividad de la aleación; La aleación ha sido adoptada por la mayoría de las fábricas de alambre en China. El nano óxido de itrio fue agregado a la aleación de cobre para mejorar la conductividad y la resistencia mecánica. 2. Material cerámico de nitruro de silicio que contiene 6% de nano óxido de itrio y 2% de aluminio. Puede ser utilizado para desarrollar partes del motor. 3. Se realizan perforaciones, cortes, soldaduras y otros procesos mecánicos en componentes de gran tamaño mediante un rayo láser de nanogranate de óxido de neodimio y aluminio con una potencia de 400 vatios. 4. La pantalla del microscopio electrónico, compuesta por un monocristal de granate Y-Al, presenta un alto brillo de fluorescencia, baja absorción de luz dispersa y buena resistencia a altas temperaturas y al desgaste mecánico. 5. La aleación de óxido de itrio con estructura de nanopartículas, que contiene un 90 % de nanoóxido de gadolinio, se puede aplicar en la aviación y en otras aplicaciones que requieren baja densidad y un alto punto de fusión. 6. Los materiales conductores de protones de alta temperatura que contienen un 90 % de nanopartículas de óxido de itrio son de gran importancia para la producción de pilas de combustible, celdas electrolíticas y sensores de gas que requieren alta solubilidad en hidrógeno. Además, el nanoóxido de itrio también se utiliza como material resistente a la pulverización a alta temperatura, diluyente de combustible para reactores atómicos, aditivo para materiales de imanes permanentes y captador en la industria electrónica.

Además de lo mencionado, los nanoóxidos de tierras raras también se pueden utilizar en materiales textiles para el cuidado de la salud humana y la protección del medio ambiente. Según las unidades de investigación actuales, todos estos materiales tienen ciertas direcciones: protección contra la radiación ultravioleta; la contaminación atmosférica y la radiación ultravioleta son propensas a enfermedades y cánceres cutáneos; la prevención de la contaminación dificulta la adhesión de contaminantes a la ropa; y también se está estudiando su efecto anticongelante. Debido a la dureza y el envejecimiento del cuero, es más propenso al moho en días de lluvia. El cuero se puede suavizar mediante blanqueo con nanoóxido de cerio de tierras raras, que no se envejece ni se enmohece fácilmente, y es cómodo de llevar. En los últimos años, la investigación en nanomateriales se ha centrado principalmente en los recubrimientos funcionales. El Y₂O₃ de 80 nm en Estados Unidos se puede utilizar como recubrimiento de protección infrarroja. Su alta eficiencia de reflexión del calor es muy alta. El CeO₂ tiene un alto índice de refracción y una alta estabilidad. Al añadir nanoóxido de itrio de tierras raras, nanoóxido de lantano y nanoóxido de cerio en polvo al revestimiento, la pared exterior resiste el envejecimiento, ya que el revestimiento es propenso al envejecimiento y al desprendimiento debido a la exposición prolongada a la luz solar y los rayos ultravioleta. Además, al añadir óxido de cerio e itrio, este último también resiste a los rayos ultravioleta. Además, su tamaño de partícula es muy pequeño, lo que permite que el nanoóxido de cerio se utilice como absorbente ultravioleta, lo que se espera que se utilice para prevenir el envejecimiento de productos plásticos por radiación ultravioleta, como tanques, automóviles, barcos, tanques de almacenamiento de petróleo, etc., protegiendo así las vallas publicitarias exteriores de gran tamaño y previniendo el moho, la humedad y la contaminación en revestimientos de paredes interiores. Gracias a su pequeño tamaño de partícula, el polvo no se adhiere fácilmente a la pared y se puede limpiar con agua. Aún quedan muchos usos de los nanoóxidos de tierras raras por investigar y desarrollar, y esperamos sinceramente que tengan un futuro prometedor.