در کتاب اُپرای فضایی «تلماسه» از «فرانک هربرت»، یک ماده طبیعی گران‌بها به نام «ترکیب ادویه» به مردم این توانایی را می‌دهد تا در پهنه‌های وسیع کیهان برای ساختن یک تمدن بین کهکشانی حرکت کنند! در حالی که اینجا و در زندگی واقعی روی زمین، گروهی از فلزات طبیعی که به عنوان «عناصر کمیاب» زمین شناخته می‌شوند، تشکیل یک جامعه مبتنی بر فناوری را ممکن کرده‌اند. عناصری که برای بخش‌های الکترونیک مدرن، تقریباً حیاتی بوده و همین امر می‌تواند طمع برخی قدرت‌ها را برای کنترل و در اختیار داشتن آنها برانگیزد. در این گزارش قصد داریم به بررسی نقش برخی از عناصر کمیاب و مهم در دنیای فناوری بپردازیم.
به گزارش ایسنا، انقلاب صنعتی اول با دگرگونی‌های بزرگ در صنعت، کشاورزی، تولید و ترابری در بازه زمانی سال ۱۷۶۰ تا سال ۱۸۴۰ میلادی رخ داد و ابتدا در انگلستان آغاز شد و سپس به اروپا و آمریکا راه یافت و این تحولات باصنعتی شدن کارخانه‌ها و صنایع و بویژه استفاده از نیروی ماشین به جای نیروی انسان رقم خورد. در انقلاب صنعتی دوم، موسوم به «انقلاب فناوری» که نیمه دوم سده نوزدهم تا جنگ جهانی اول را شامل می‌شود، با ویژگی‌هایی چون فرآیند بسمر (اولین فرآیند صنعتی ارزان قیمت، برای تولید انبوه فولاد از آهن) در دهه ۱۸۶۰ میلادی همرا بود و بیشتر با تجهیز کارخانجات به برق، تولید انبوه و خط تولید شناخته می‌شود و با توسعه خط آهن، تولید آهن و فولاد در مقیاس انبوه، کاربرد گسترده ماشین آلات در تولید کارخانه‌ای، افزایش شدید استفاده از نیروی بخار و ارتباطات الکتریکی شکل گرفت تا بشر گام بلندتری به سوی زندگی مدرن بردارد.
پس از این دوره، انقلاب صنعتی سوم در دهه ۱۹۵۰ میلادی شروع شد که البته تاکنون نیز ادامه دارد و در آن بویژه استفاده از عناصر و فلزاتی با ویژگی‌های خاص در فناوری‌های مدرن هر روزه با رشد چشمگیرتری همراه می‌شود.
حال در این میان و در زندگی واقعی روی زمین، گروهی از فلزات طبیعی که به عنوان عناصر کمیاب شناخته می‌شوند، ایجاد جامعه مبتنی بر فناوری را ممکن ساخته و تقاضا برای این عناصر حیاتی تقریباً در تمام لوازم الکترونیکی مدرن به شدت در حال افزایش است. عناصر کمیابی در زمین که شامل ۱۷ عنصر هستند و برای ایجاد باتری‌های پیشرفته، لیزر، الکترونیک و تمام فناوری‌های نوظهور قرن بیست و یکم از جمله انتقال انرژی، حیاتی هستند.
عناصری که می‌توانند نقش بسیار تعیین‌کننده‌ای در انقلاب صنعتی چهارم داشته باشند.
این عناصر یا خاک‌های کمیاب، هزاران نیاز مختلف را برآورده می‌کنند. برای مثال، «سریم» به عنوان کاتالیزور برای پالایش نفت استفاده می‌شود و «گادولینیوم» نوترون‌ها را در راکتورهای هسته‌ای جذب می‌کند. اما برجسته‌ترین قابلیت‌های این عناصر در درخشندگی و مغناطیس آنها نهفته است. رنگ‌آمیزی صفحه‌نمایش گوشی‌های هوشمند، نشان دادن صحت اسکناس‌های یورو و تقویت سیگنال‌ها از طریق کابل‌های فیبر نوری در کف دریا از جمله موارد زیادی است که به این عناصر کمیاب متکی است.
این عناصر همچنین برای ساخت برخی از قوی‌ترین و قابل اطمینان‌ترین آهنرباهای جهان ضروری هستند. آنها امواج صوتی را در هدفون شما تولید می‌کنند، اطلاعات دیجیتال را از طریق فضا تقویت می‌کنند و مسیر موشک‌های جستجوگر گرما را تغییر می‌دهند. خاک‌ها (عناصر) کمیاب همچنین باعث رشد فناوری‌های سبز مانند انرژی باد و وسایل نقلیه الکتریکی می‌شوند و حتی ممکن است اجزای جدیدی را برای کامپیوترهای کوانتومی ایجاد کنند.
نگاهی به کاربرد فلزات در تکنولوژی
برخلاف عناصر کمیاب زمین، فهرست مشخصی از فلزات مورد استفاده در تکنولوژی وجود ندارد. فلزات مورد استفاده در تکنولوژی اغلب به عنوان فلزات نسبتاً کمیاب در نظر گرفته می‌شوند که معمولا در دستگاه‌های با فناوری پیشرفته استفاده می‌شوند. این تجهیزات با تکنولوژی/ فناوری بالا در لوازم الکترونیکی مصرفی و تجهیزات پزشکی گرفته تا سیستم‌های دفاعی پیشرفته کاربردهایی دارند. برخی از فلزات مورد استفاده در تکنولوژی عبارتند از کُبالت، لیتیوم، تانتالم، ایندیم، گالیم، نیوبیم، سلنیوم و زیرکونیوم. با توجه به اینکه عناصر کمیاب زمین همگی فلز هستند، می‌توان آنها را به عنوان فلزات مورد استفاده در تکنولوژی نیز در نظر گرفت.
بسیاری از این عناصر کمیاب زمین و فلزات مورد استفاده در تکنولوژی اجزای حیاتی دستگاه‌های با فناوری پیشرفته ما هستند.
عناصر کمیاب زمین و فلزات مورد استفاده در فناوری چگونه استفاده می‌شوند؟
عناصر کمیاب زمین در کجاها یافت می‌شوند؟
ذخایر شناخته شده این عناصر کمیاب زمین در چند کشور در سراسر جهان یافت می‌شود. چین، برزیل، ایالات متحده آمریکا، ویتنام و روسیه بیش از ۷۵ درصد از ذخایر شناخته شده عناصر کمیاب زمین را در اختیار دارند.
اما وقتی صحبت از تولید این فلزات و عناصر خاکی کمیاب می‌شود، تصویر متفاوت به نظر می‌رسد. ایالات متحده از دهه ۱۹۶۰ تا ۱۹۹۰ با استفاده از معدن گذرگاه کوه در کالیفرنیا، تولید کننده پیشرو عناصر کمیاب زمین در جهان بود اما اخیراً، چین در تولید این عناصر کمیاب زمین در جهان پیشتاز است و از دهه ۱۹۹۰ این کار را انجام داده است.
پس از پایان جنگ سرد، مجموعه‌ای از شکست سیاست‌های ایالات متحده و اتحادیه اروپا به این منجر شد که چین تقریبا تولید و پالایش عناصر کمیاب زمین را در انحصار خود درآورد، به طوری که اتحادیه اروپا ۹۸درصد عناصر کمیاب زمین خود را از چین وارد کرد. ایالات متحده نیز خیلی وضعیتش بهتر از اروپا نیست و ۷۸ درصد از واردات آن از چین است. با جدا شدن غرب از انرژی روسیه، وابستگی شدید آن به چین برای عناصر کمیاب زمین به درستی به عنوان عامل نگرانی شناخته شده است. ایالات متحده اکنون با سرعت بیشتری در حال حرکت است تا سلطه از دست رفته خود را احیا کند.
قدرت‌های ماورایی عناصر کمیاب از الکترون‌های آنها ناشی می‌شود
این عناصرکمیاب، “لانتانید”ها هستند و “لوتتیوم” و همه ۱۴ عنصر بین “لانتانیمو – ایتربیوم” در یک ردیف از جدول تناوبی به اضافه “اسکاندیم” و “ایتریم” که در ذخایر سنگ معدنی مشابهی وجود دارند و خواص شیمیایی مشابهی با “لانتانید”ها دارند را شامل می‌شود. این فلزات خاکستری تا نقره‌ای اغلب چکش‌خوار (نرم و قابل انعطاف) با نقطه ذوب و جوش بالا هستند.
در واقع قدرت مخفی این عناصر در الکترون‌هایشان نهفته است. همه اتم‌ها دارای هسته‌ای هستند که توسط الکترون‌ها احاطه شده است که در مناطقی به نام «اوربیتال» زندگی می‌کنند. الکترون‌ها در دورترین اوربیتال‌ها از هسته، الکترون‌های ظرفیتی هستند که در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند و با اتم‌های دیگر پیوند ایجاد می‌کنند.
بیشتر لانتانیدها دارای مجموعه مهم دیگری از الکترون‌ها به نام «الکترون‌های f» هستند که در ناحیه «گلدیلاک» واقع در نزدیکی الکترون‌های ظرفیتی اما کمی نزدیک‌تر به هسته قرار دارند. “آنا دو بتنکورت-دیاس”، شیمیدان معدنی در دانشگاه نوادا می‌گوید: «این الکترون‌های f هستند که باعث ایجاد خواص مغناطیسی و درخشندگی عناصر کمیاب خاکی هستند».
همانطور که در بالا اشاره کردیم خاک‌ها یا عناصر کمیاب ۱۷ عنصر هستند که در جدول بالا نیز به رنگ نارنجی مشخص شده‌اند. زیرمجموعه‌ای از خاک‌های کمیاب که به نام لانتانیدها (lanthanide ) شناخته می‌شوند هر کدام حاوی یک لایه فرعی هستند که معمولاً الکترون‌های f را در خود جای می‌دهند و به عناصر خواص مغناطیسی و شب تابی می‌دهند.
لانتانیدها۱۴ عنصر (سریم،پرازئودیمیم،نئودیمیم،پرومتیم،ساماریم،یوروپیم،گادولینیم،تربیم،دیسپروزیم،هولمیم،اربیم،تولیم،ایتربیم و لوتتیم) با عددهای اتمی ۵۷ تا ۷۱ در جدول تناوبی هستند. نام این دسته از عنصرها از فلز لانتان گرفته شده‌است. لانتانیدها فلزهایی براق هستند و واکنش‌پذیری شیمیایی قابل توجهی دارند.
خاک‌های کمیاب رنگ و نور را اضافه می‌کنند
در امتداد برخی از سواحل، دریای شب گاهی اوقات به رنگ سبز مایل به آبی می‌درخشد، زیرا “پلانکتون‌های بیولومینسانس” در امواج در حال تکان خوردن هستند. فلزات خاکی کمیاب نیز هنگام تحریک، نور ساطع می‌کنند و به گفته “بتنکورت-دیاس” ترفند این است که الکترون‌های f آنها را به اصطلاح قلقلک می‌دهند.
دانشمندان و مهندسان می‌توانند الکترون‌های اف عناصر کمیاب را با استفاده از یک منبع انرژی مانند لیزر یا لامپ به حالت هیجان درآورند و سپس اجازه دهند دوباره به حالت اولیه‌اش بازگردند و وقتی لانتانیدها به حالت اولیه باز می‌گردند، نور ساطع می‌کنند.
“بتنکورت-دیاس” شیمیدان معدنی می‌گوید که خاک‌های کمیاب به طور قابل اعتمادی طول موج‌های دقیقی از نور را هنگام برانگیختگی ساطع می‌کند. این دقت قابل اعتماد به مهندسان اجازه می‌دهد تا تابش الکترومغناطیسی را در بسیاری از لوازم الکترونیکی به دقت تنظیم کنند. به عنوان مثال، تربیوم، نوری را با طول موجی در حدود ۵۴۵ نانومتر ساطع می‌کند که برای ساخت فسفر سبز در تلویزیون، کامپیوتر و صفحه نمایش گوشی‌های هوشمند مناسب است. یوروپیوم که دو شکل رایج دارد برای ساخت فسفرهای قرمز و آبی استفاده می‌شود. در مجموع، این فسفرها می‌توانند صفحات نمایش را با بیشتر سایه‌های رنگین کمان رنگ کنند.
خاک‌ها (عناصر) کمیاب نور نامرئی مفیدی را نیز ساطع می‌کنند. ایتریومیک عنصر کلیدی در ایتریم-آلومینیوم-گارنت (YAG) است که یک کریستال مصنوعی است که هسته بسیاری از لیزرهای پرقدرت را تشکیل می‌دهد. مهندسان طول موج این لیزرها را با اضافه کردن یک خاک کمیاب دیگر به کریستال‌های ایتریم-آلومینیوم-گارنت تنظیم می‌کنند. محبوب‌ترین انواع لیزرهای YAG با ترکیب نئودیمیم (لیزر نئودیمیم یاگ) ساخته می‌شود که برای همه چیز از برش دادن فولاد گرفته تا پاک کردن خالکوبی و فاصله‌یابی لیزری استفاده می‌شود. پرتوهای لیزرYAG با اربیوم (لیزر اربیوم یاگ)، گزینه خوبی برای جراحی‌های کم تهاجمی هستند زیرا به راحتی توسط آب موجود در گوشت جذب می‌شوند و بنابراین خیلی عمیق نمی‌شوند. وجود لانتانیم برای ساخت شیشه‌های جاذب مادون قرمز در عینک‌های دید در شب بسیار مهم است
“تیان ژونگ”، مهندس مولکولی در دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «”اربیوم” اینترنت ما را هدایت می‌کند. بسیاری از اطلاعات دیجیتال ما از طریق فیبرهای نوری به عنوان نور با طول موج حدود ۱۵۵۰ نانومتر – همان طول موجی که “اربیوم” ساطع می‌کند – عبور می‌کند. سیگنال‌های کابل‌های فیبر نوری زمانی که از منبع خود دور می‌شوند، کم‌نور می‌شوند. از آنجایی که این کابل‌ها می‌توانند هزاران کیلومتر در کف دریا کشیده شوند، اربیوم برای تقویت سیگنال‌ها به فیبرها اضافه می‌شود.
عناصر کمیاب آهنرباهای قدرتمندی می‌سازند
در سال ۱۹۴۵، دانشمندان اولین رایانه دیجیتال قابل برنامه‌ریزی و همه منظوره در جهان (انیاک-ENIAC) را ساختند. انیاک با نام مستعار «مغز غول پیکر» وزنی بیش از وزن چهار فیل داشت و اندازه‌ای تقریبی دو سوم اندازه یک زمین تنیس داشت.
کمتر از ۸۰ سال بعد، تلفن هوشمندی که امروز همه جا حاضر است با قدرت محاسباتی بسیار بیشتر از انیاک به خوبی در کف دستان ما قرار می‌گیرد. جامعه این کوچک‌سازی فناوری الکترونیک را تا حد زیادی مدیون قدرت مغناطیسی استثنایی عناصر کمیاب است. آهنرباهای ساخته شده از عناصر کمیاب می‌توانند همان کار آهنرباهای بزرگتر را که بدون خاک‌های کمیاب ساخته شده‌اند را انجام دهند.
این جا نیز بازهم پای الکترون‌های اف در میان است. عناصر کمیاب دارای اوربیتال‌های بسیاری از الکترون‌ها هستند، اما الکترون‌های اف دارای یک گروه خاص از هفت اوربیتال به نام ۴f-subshell هستند. در هر لایه فرعی، الکترون‌ها سعی می‌کنند خود را در بین اوربیتال‌های درونی پخش کنند. هر اوربیتال می‌تواند تا دو الکترون را در خود جای دهد. اما از آنجایی که لایه فرعی ۴f دارای هفت اوربیتال است و بیشتر عناصرکمیاب کمتر از ۱۴ الکترون f دارند، عناصر تمایل دارند اوربیتال‌های متعددی با تنها یک الکترون داشته باشند. به عنوان مثال، اتم‌های نئودیمیم دارای چهار عدد از این اکترون‌هاست، در حالی که “دیسپروزیم” و “ساماریو” مدارای پنج عدد هستند. مهم‌تر از همه، این الکترون‌های جفت‌نشده تمایل دارند به یک جهت حرکت کنند یا بچرخند. این همان چیزی است که قطب شمال و جنوب را ایجاد می‌کند که ما به طور کلاسیک آن را مغناطیس می‌دانیم.
از آنجایی که این الکترون‌های اف تنها در پشت لایه‌ای از الکترون‌های ظرفیتی حرکت می‌کنند، چرخش‌های همزمان آنها تا حدودی در برابر نیروهای مغناطیسی‌زدایی مانند گرما و سایر میدان‌های مغناطیسی محافظت می‌شوند و برای ساخت آهنرباهای دائمی فوق‌العاده هستند. آهنرباهای دائمی، مانند آهنرباهایی که تصاویر را روی در یخچال نگه می‌دارند، برخلاف آهنرباهای الکترومغناطیسی که نیاز به جریان الکتریکی دارند و می‌توان آنها را خاموش کرد، به طور غیرفعال میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند که از ساختار اتمی آنها ناشی می‌شود.
خاک‌های کمیاب محدودیت‌هایی دارند. به عنوان مثال، “نئودیمیم” خالص به راحتی خورده و شکسته می‌شود و کشش مغناطیسی در دمای بالای ۸۰ درجه سانتیگراد شروع به کاهش می‌کند. “دورگا پائودیال”، فیزیکدان نظری در آزمایشگاه ملی «ایمز» در آیووا، می‌گوید: تولیدکنندگان، برخی از خاک‌های کمیاب را با فلزات دیگر آلیاژ می‌کنند تا آهنرباهای انعطاف‌پذیرتری بسازند زیرا برخی از خاک‌های کمیاب می‌توانند میدان‌های مغناطیسی فلزات دیگر را هماهنگ کنند. همانطور که تاس‌های وزن‌دار ترجیحاً در یک طرف فرود می‌آیند، برخی از خاک‌های کمیاب مانند “نئودیمیم” و “ساماریوم” مغناطیس قوی‌تری در جهات خاصی از خود نشان می‌دهند، زیرا دارای اوربیتال‌های نابرابر در زیر لایه‌های ۴f خود هستند، این پدیده که ناهمسانگردی مغناطیسی نامیده می‌شود، می‌تواند برای هماهنگ کردن میدان‌های فلزات دیگر مانند آهن یا کبالت برای فرموله کردن آهنرباهای قوی و بسیار قدرتمند استفاده شود.
قوی‌ترین آهنرباهای ساخته‌شده با استفاده از آلیاژ خاک‌های کمیاب، آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور هستند. به عنوان مثال، یک آهنربای آلیاژ نئودیمیوم سه کیلوگرمی می‌تواند اجسام با وزن بیش از ۳۰۰ کیلوگرم را بلند کند! بیش از ۹۵ درصد آهنرباهای دائمی جهان از این آلیاژ خاکی کمیاب ساخته شده است. آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور در گوشی‌های هوشمند ارتعاش ایجاد می‌کنند، صداها را در هدفون‌ها تولید می‌کنند، خواندن و نوشتن داده‌ها را در درایوهای دیسک سخت فعال می‌کنند و میدان‌های مغناطیسی مورد استفاده در دستگاه‌های MRI را تولید می‌کنند. افزودن کمی دیسپروزیم به این آهن‌رباها می‌تواند مقاومت حرارتی آلیاژ را افزایش دهد و آن را به انتخاب خوبی برای روتورهایی تبدیل کند که در فضای داخلی داغ بسیاری از موتورهای خودروهای الکتریکی می‌چرخند.
آهنرباهای ساماریوم-کبالت که در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافتند، اولین آهنرباهای ساخته‌شده از عناصر کمیاب محبوب بودند. اگرچه آهنرباهای ساماریم-کبالت کمی ضعیف‌تر از آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور هستند، اما آهنرباهای ساماریوم-کبالت مقاومت بالایی در برابر حرارت و خوردگی دارند، بنابراین در موتورهای پرسرعت، ژنراتورها، سنسورهای سرعت در خودروها و هواپیماها و در قسمت‌های متحرک برخی موشک‌های گرمایاب کاربرد دارند. آهنرباهای ساماریوم-کبالت همچنین قلب اکثر لوله‌های موج سفر را که سیگنال‌های سیستم‌های راداری و ماهواره‌های ارتباطی را تقویت می‌کنند، تشکیل می‌دهند. برخی از این لوله‌ها در حال انتقال داده‌ها از فضاپیمای وویجر ۱ در فاصله بیش از ۲۳ میلیارد کیلومتری هستند.
از آنجایی که آهنرباهای ساخته شده ازعناصر کمیاب، قوی و قابل اعتماد هستند، از فناوری‌های سبز نیز پشتیبانی می‌کنند. آنها در موتورها، پیشرانه‌ها، فرمان برقی و بسیاری از اجزای دیگر وسایل نقلیه الکتریکی کاربرد دارند. استفاده تسلا از آهنرباهای آلیاژی نئودیمیم در دوربردترین خودروهای مدل ۳ خود، نگرانی‌های زنجیره تامین را برانگیخته است. در حال حاضر چین اکثریت “نئودیمیم” جهان را تامین می‌کند.
آهنرباهای ساخته شده از عناصر کمیاب در بسیاری از توربین‌های بادی دریایی به عنوان جایگزینی برای گیربکس‌ها استفاده می‌شوند که این امر باعث افزایش کارایی و کاهش تعمیر و نگهداری می‌شود. مهندسان چینی به تازگی خط قطار موسوم به «رنگین کمان» را معرفی کرده‌اند که اولین خط قطار “مگلو” در جهان بر اساس آهنرباهای ساخته شده از خاک‌های کمیاب است که قطارها را قادر می‌سازد بدون مصرف برق حرکت کنند. این سیستم حمل و نقل به سیستم ماهواره‌ای ناوبری ۵G، سیستم موقعیت‌یاب BeiDou و فناوری‌های سنجش هوشمند مجهز شده است.
بر اساس این گزارش، در آینده خاک‌های کمیاب حتی ممکن است محاسبات کوانتومی را پیش ببرند. در حالی که رایانه‌های معمولی از بیت‌های باینری صفر و یک استفاده می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند دو حالت را به طور همزمان اشغال کنند. به گفته “ژونگ”، همانطور که مشخص است، کریستال‌های حاوی خاک‌های کمیاب، کیوبیت‌های خوبی می‌سازند، زیرا الکترون‌های f محافظت شده می‌توانند اطلاعات کوانتومی را برای مدت زمان طولانی ذخیره کنند.
او می‌گوید روزی، دانشمندان کامپیوتر حتی ممکن است از خواص درخشندگی خاک‌های کمیاب در کیوبیت برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات بین رایانه‌های کوانتومی و تولد یک اینترنت کوانتومی استفاده کنند.
منبع خبر: خبر گزاری ایسنالینک مطالب دیگرحواله ارزی به خارج از ایرانلینک مطالب دیگرراهنمای خرید نهال