Magický prvok vzácnych zemín: Yterbium

Yterbium: atómové číslo 70, atómová hmotnosť 173,04, názov prvku odvodený od miesta jeho objavenia. Obsah yterbia v kôre je 0,000266 %, je prítomný najmä v ložiskách fosforitu a čierneho vzácneho zlata. Obsah v monazite je 0,03 % a existuje 7 prírodných izotopov.

Objavený

Od: Marinak

Čas: 1878

Miesto: Švajčiarsko

V roku 1878 objavili švajčiarski chemici Jean Charles a G. Marignac nový prvok vzácnych zemín, „erbium“. V roku 1907 Ulban a Weils poukázali na to, že Marignac oddelil zmes oxidu lutécia a oxidu yterbia. Na pamiatku malej dedinky Yteerby neďaleko Štokholmu, kde bola objavená ytriová ruda, bol tento nový prvok pomenovaný Yterbium so symbolom Yb.

Elektrónová konfigurácia

Elektrónová konfigurácia
1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 4s² 3d10 4p6 5s² 4d10 5p6 6s² 4f14

Kov

Kovové yterbium je striebornošedé, tvárne a má mäkkú textúru. Pri izbovej teplote môže yterbium pomaly oxidovať vzduchom a vodou.

Existujú dve kryštálové štruktúry: α – typ je plošne centrovaná kubická kryštálová sústava (izbová teplota -798 ℃); β – typ je objemovo centrovaná kubická mriežka (nad 798 ℃). Teplota topenia 824 ℃, teplota varu 1427 ℃, relatívna hustota 6,977 (α – typ), 6,54 (β – typ).

Nerozpustný v studenej vode, rozpustný v kyselinách a tekutom amoniaku. Na vzduchu je pomerne stabilný. Podobne ako samárium a europium, aj yterbium patrí k vzácnym zeminám s premenlivou valenciou a okrem toho, že je zvyčajne trojmocný, môže byť aj v kladnom dvojmocnom stave.

Vzhľadom na túto premenlivú valenčnú charakteristiku by sa príprava kovového yterbia nemala vykonávať elektrolýzou, ale redukčnou destilačnou metódou na prípravu a čistenie. Zvyčajne sa ako redukčné činidlo na redukčnú destiláciu používa kovový lantán, pričom sa využíva rozdiel medzi vysokým tlakom pár kovového yterbia a nízkym tlakom pár kovového lantánu. Alternatívne,túlium, yterbiumalutéciumkoncentráty sa môžu použiť ako suroviny akovový lantánmôže sa použiť ako redukčné činidlo. Za podmienok vysokej teploty a vákua > 1100 ℃ a < 0,133 Pa sa kovové yterbium môže priamo extrahovať redukčnou destiláciou. Podobne ako samárium a europium, aj yterbium sa môže oddeliť a vyčistiť mokrou redukciou. Ako suroviny sa zvyčajne používajú koncentráty túlia, yterbia a lutécia. Po rozpustení sa yterbium redukuje na dvojmocný stav, čo spôsobuje významné rozdiely vo vlastnostiach, a potom sa oddelí od ostatných trojmocných vzácnych zemín. Výroba vysoko čistých...oxid yterbiaZvyčajne sa vykonáva extrakčnou chromatografiou alebo metódou iónovej výmeny.

Aplikácia

Používa sa na výrobu špeciálnych zliatin. Zliatiny yterbia sa používajú v zubnom lekárstve na metalurgické a chemické experimenty.

V posledných rokoch sa yterbium objavilo a rýchlo sa rozvíjalo v oblastiach optickej komunikácie a laserovej technológie.

S výstavbou a rozvojom „informačnej diaľnice“ majú počítačové siete a diaľkové optické prenosové systémy čoraz vyššie požiadavky na výkon optických vlákien používaných v optickej komunikácii. Ióny yterbia sa vďaka svojim vynikajúcim spektrálnym vlastnostiam môžu použiť ako materiály na zosilnenie vlákien pre optickú komunikáciu, rovnako ako erbium a túlium. Hoci prvok vzácnych zemín erbium je stále hlavným hráčom pri príprave optických zosilňovačov, tradičné kremenné vlákna dopované erbiom majú malú šírku pásma zosilnenia (30 nm), čo sťažuje splnenie požiadaviek na vysokorýchlostný a vysokokapacitný prenos informácií. Ióny Yb3+ majú oveľa väčší absorpčný prierez ako ióny Er3+ okolo 980 nm. Vďaka senzibilizačnému účinku Yb3+ a prenosu energie erbia a yterbia je možné výrazne zosilniť svetlo s vlnovou dĺžkou 1530 nm, čím sa výrazne zlepší účinnosť zosilnenia svetla.

V posledných rokoch sa výskumníci čoraz viac zaujímajú o fosfátové sklo dopované kopolymérmi erbia a yterbia. Fosfátové a fluórfosfátové sklá majú dobrú chemickú a tepelnú stabilitu, ako aj širokú infračervenú priepustnosť a veľké nerovnomerné rozširujúce charakteristiky, vďaka čomu sú ideálne materiály pre širokopásmové a vysoko ziskové zosilňovacie vláknové sklenené vlákna dopované erbiom. Vláknové zosilňovače dopované Yb3+ dokážu dosiahnuť zosilnenie výkonu a zosilnenie malého signálu, vďaka čomu sú vhodné pre oblasti, ako sú vláknové optické senzory, laserová komunikácia vo voľnom priestore a zosilnenie ultra krátkych impulzov. Čína v súčasnosti vybudovala najväčší jednokanálový optický prenosový systém na svete s najväčšou kapacitou a najrýchlejšou rýchlosťou a má najširšiu informačnú diaľnicu na svete. Vláknové zosilňovače a laserové materiály dopované yterbiom a inými vzácnymi zeminami v nich zohrávajú kľúčovú a významnú úlohu.

Spektrálne charakteristiky yterbia sa tiež používajú ako vysokokvalitné laserové materiály, a to ako laserové kryštály, laserové sklá a vláknové lasery. Ako vysokovýkonný laserový materiál tvoria yterbiom dopované laserové kryštály obrovskú sériu, vrátane yterbiom dopovaného ytriovo-hlinitého granátu (Yb: YAG), yterbiom dopovaného gadolíniovo-gálium granátu (Yb: GGG), yterbiom dopovaného fluorofosfátu vápenatého (Yb: FAP), yterbiom dopovaného fluorofosfátu stroncia (Yb: S-FAP), yterbiom dopovaného vanadičnanu ytria (Yb: YV04), yterbiom dopovaného boritanu a kremičitanu. Polovodičový laser (LD) je nový typ zdroja čerpania pre tuhé lasery. Yb: YAG má mnoho charakteristík vhodných pre vysokovýkonné čerpanie LD a stal sa laserovým materiálom pre vysokovýkonné čerpanie LD. Kryštál Yb:S-FAP by sa v budúcnosti mohol použiť ako laserový materiál pre laserovú jadrovú fúziu, čo pritiahlo pozornosť ľudí. V laditeľných laserových kryštáloch sa nachádza chróm-yterbium-holmium-ytrium-hliník-gálium-granát (Cr, Yb, Ho:YAGG) s vlnovými dĺžkami v rozmedzí od 2,84 do 3,05 μ, ktoré sú plynule nastaviteľné medzi m. Podľa štatistík väčšina infračervených hlavíc používaných v raketách na celom svete používa 3-5 μ. Preto vývoj laserov Cr, Yb, Ho:YSGG môže poskytnúť účinné rušenie pre stredne infračervené protiopatrenia zbraní navádzaných v strednom infračervenom spektre a má dôležitý vojenský význam. Čína dosiahla sériu inovatívnych výsledkov s medzinárodnou pokročilou úrovňou v oblasti laserových kryštálov dopovaných yterbiom (Yb:YAG, Yb:FAP, Yb:SFAP atď.), čím rieši kľúčové technológie, ako je rast kryštálov a rýchly, pulzný, kontinuálny a nastaviteľný laserový výstup. Výsledky výskumu boli uplatnené v národnej obrane, priemysle a vedeckom inžinierstve a kryštálové výrobky dopované yterbiom boli vyvezené do viacerých krajín a regiónov, ako sú Spojené štáty a Japonsko.

Ďalšou významnou kategóriou materiálov pre yterbiové lasery je laserové sklo. Boli vyvinuté rôzne laserové sklá s vysokým prierezom emisií, vrátane germániového teluritu, niobátu kremíka, boritanu a fosfátu. Vďaka ľahkému tvarovaniu skla sa dá vyrobiť do veľkých rozmerov a má vlastnosti, ako je vysoká priepustnosť svetla a vysoká rovnomernosť, čo umožňuje výrobu vysokovýkonných laserov. Známe laserové sklo zo vzácnych zemín bolo kedysi prevažne neodýmové sklo, ktoré má viac ako 40-ročnú históriu vývoja a zrelú výrobnú a aplikačnú technológiu. Vždy bolo preferovaným materiálom pre vysokovýkonné laserové zariadenia a používalo sa v experimentálnych zariadeniach na jadrovú fúziu a laserových zbraniach. Vysokovýkonné laserové zariadenia vyrobené v Číne, ktoré pozostávajú z laserového neodýmového skla ako hlavného laserového média, dosiahli svetovú pokročilú úroveň. Laserové neodýmové sklo však teraz čelí silnej výzve zo strany laserového yterbiového skla.

V posledných rokoch veľké množstvo štúdií ukázalo, že mnohé vlastnosti laserového yterbiového skla prevyšujú vlastnosti neodýmového skla. Vzhľadom na to, že luminiscencia dopovaná yterbiom má iba dve energetické hladiny, účinnosť ukladania energie je vysoká. Pri rovnakom zosilnení má yterbiové sklo účinnosť ukladania energie 16-krát vyššiu ako neodýmové sklo a životnosť fluorescencie 3-krát vyššiu ako neodýmové sklo. Má tiež výhody, ako je vysoká koncentrácia dopovania, absorpčná šírka pásma a možnosť priameho čerpania polovodičmi, vďaka čomu je veľmi vhodné pre vysokovýkonné lasery. Praktické využitie yterbiového laserového skla sa však často spolieha na pomoc neodýmu, napríklad použitie Nd3+ ako senzibilizátora na zabezpečenie prevádzky yterbiového laserového skla pri izbovej teplote a emisia μ laseru sa dosahuje pri vlnovej dĺžke m. Yterbium a neodým sú teda konkurentmi aj spolupracujúcimi partnermi v oblasti laserového skla.

Úpravou zloženia skla je možné zlepšiť mnohé luminiscenčné vlastnosti yterbiového laserového skla. S rozvojom vysokovýkonných laserov ako hlavného smeru sa lasery vyrobené z yterbiového laserového skla čoraz viac používajú v modernom priemysle, poľnohospodárstve, medicíne, vedeckom výskume a vojenských aplikáciách.

Vojenské využitie: Využívanie energie generovanej jadrovou fúziou ako energie bolo vždy očakávaným cieľom a dosiahnutie kontrolovanej jadrovej fúzie bude pre ľudstvo dôležitým prostriedkom na riešenie energetických problémov. Laserové sklo dopované yterbiom sa stáva v 21. storočí preferovaným materiálom na dosiahnutie vylepšení inerciálnej fúzie (ICF) vďaka svojmu vynikajúcemu laserovému výkonu.

Laserové zbrane využívajú obrovskú energiu laserového lúča na zasiahnutie a zničenie cieľov, pričom generujú teploty miliardy stupňov Celzia a priamo útočia rýchlosťou svetla. Možno ich označiť ako Nadana a majú vysokú smrteľnosť, sú obzvlášť vhodné pre moderné systémy protivzdušnej obrany vo vojnových konfliktoch. Vynikajúci výkon laserového skla dopovaného yterbiom z neho urobil dôležitý základný materiál na výrobu vysokovýkonných a vysokovýkonných laserových zbraní.

Vláknový laser je rýchlo sa rozvíjajúca nová technológia a patrí aj do oblasti aplikácií laserového skla. Vláknový laser je laser, ktorý využíva vlákno ako laserové médium, čo je produkt kombinácie vláknovej a laserovej technológie. Ide o novú laserovú technológiu vyvinutú na základe technológie vláknového zosilňovača dopovaného erbiom (EDFA). Vláknový laser sa skladá z polovodičovej laserovej diódy ako zdroja čerpania, vláknového vlnovodu a zosilňovacieho média a optických komponentov, ako sú mriežkové vlákna a spojky. Nevyžaduje mechanické nastavenie optickej dráhy a mechanizmus je kompaktný a ľahko integrovateľný. V porovnaní s tradičnými tuhým a polovodičovými lasermi má technologické a výkonnostné výhody, ako je vysoká kvalita lúča, dobrá stabilita, silná odolnosť voči rušeniu prostredia, žiadna úprava, žiadna údržba a kompaktná štruktúra. Vzhľadom na to, že dopované ióny sú prevažne Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, ktoré všetky používajú vlákna vzácnych zemín ako zosilňovacie médium, možno vláknový laser vyvinutý touto spoločnosťou nazvať aj vláknovým laserom vzácnych zemín.

Aplikácia laseru: Vysokovýkonný yterbiom dopovaný dvojito plátovaný vláknový laser sa v posledných rokoch stal medzinárodne horúcou oblasťou v technológii laserov v pevnej fáze. Má výhody dobrej kvality lúča, kompaktnej štruktúry a vysokej účinnosti konverzie a má široké možnosti uplatnenia v priemyselnom spracovaní a iných oblastiach. Dvojito plátované yterbiom dopované vlákna sú vhodné na čerpanie polovodičovým laserom, majú vysokú účinnosť väzby a vysoký výstupný výkon lasera a sú hlavným smerom vývoja yterbiom dopovaných vlákien. Čínska technológia dvojito plátovaných yterbiom dopovaných vlákien už nedosahuje pokročilú úroveň zahraničných krajín. Vlákna dopované yterbiom, dvojito plátované yterbiom dopované vlákna a yterbiom dopované vlákna spolu s erbiom vyvinuté v Číne dosiahli pokročilú úroveň podobných zahraničných produktov z hľadiska výkonu a spoľahlivosti, majú cenové výhody a majú základné patentované technológie pre viacero produktov a metód.

Svetoznáma nemecká spoločnosť zaoberajúca sa lasermi IPG nedávno oznámila, že jej novo uvedený systém vláknového laseru dopovaného yterbiom má vynikajúce charakteristiky lúča, životnosť čerpadla viac ako 50 000 hodín, centrálnu emisnú vlnovú dĺžku 1070 nm – 1080 nm a výstupný výkon až 20 kW. Používa sa pri jemnom zváraní, rezaní a vŕtaní hornín.

Laserové materiály sú jadrom a základom pre rozvoj laserovej technológie. V laserovom priemysle vždy platilo príslovie, že „jedna generácia materiálov, jedna generácia zariadení“. Na vývoj pokročilých a praktických laserových zariadení je potrebné najprv vlastniť vysokovýkonné laserové materiály a integrovať ďalšie relevantné technológie. Yterbiom dopované laserové kryštály a laserové sklo ako nová sila pevných laserových materiálov podporujú inovatívny rozvoj optickej komunikácie a laserovej technológie, najmä v oblasti špičkových laserových technológií, ako sú vysokovýkonné lasery na jadrovú fúziu, vysokoenergetické lasery s rytmickými dlaždicami a vysokoenergetické zbraňové lasery.

Okrem toho sa yterbium používa aj ako aktivátor fluorescenčného prášku, rádiokeramika, prísady do pamäťových komponentov elektronických počítačov (magnetické bubliny) a prísady do optického skla. Treba zdôrazniť, že ytrium aj ytrium sú prvky vzácnych zemín. Hoci existujú značné rozdiely v anglických názvoch a symboloch prvkov, čínska fonetická abeceda má rovnaké slabiky. V niektorých čínskych prekladoch sa ytrium niekedy mylne označuje ako ytrium. V tomto prípade musíme vysledovať pôvodný text a skombinovať symboly prvkov, aby sme to potvrdili.