ธาตุหายากมหัศจรรย์: “ราชาแห่งแม่เหล็กถาวร” - นีโอไดเมียม

บาสทาไซต์

นีโอไดเมียมมีเลขอะตอม 60 น้ำหนักอะตอม 144.24 มีปริมาณ 0.00239% ในเปลือกโลก พบส่วนใหญ่ในมอนาไซต์และบาสเนไซต์ นีโอไดเมียมในธรรมชาติมี 7 ไอโซโทป ได้แก่ นีโอไดเมียม 142, 143, 144, 145, 146, 148 และ 150 โดยนีโอไดเมียม 142 มีปริมาณมากที่สุด นีโอไดเมียมจึงถือกำเนิดขึ้นเมื่อเพรซีโอไดเมียมถือกำเนิดขึ้น การมาถึงของนีโอไดเมียมได้กระตุ้นวงการแรร์เอิร์ธและมีบทบาทสำคัญในวงการนี้ และมีอิทธิพลต่อตลาดแรร์เอิร์ธด้วย

การค้นพบนีโอไดเมียม

Karl Orvon Welsbach (พ.ศ. 2401-2472) ผู้ค้นพบนีโอดิเมียม

ในปี 1885 นักเคมีชาวออสเตรีย Carl Orvon Welsbach Carl Auer von Welsbach ค้นพบนีโอดิเมียมในเวียนนา เขาแยกนีโอดิเมียมและเพรซีโอดิเมียมออกจากวัสดุนีโอดิเมียมสมมาตรโดยแยกและตกผลึกแอมโมเนียมไนเตรตเตตระไฮเดรตจากกรดไนตริก และแยกด้วยการวิเคราะห์สเปกตรัมในเวลาเดียวกัน แต่ยังไม่ได้แยกในรูปแบบที่ค่อนข้างบริสุทธิ์จนกระทั่งในปี 1925

ตั้งแต่ปี 1950 เป็นต้นมา นีโอดิเมียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (มากกว่า 99%) ได้รับส่วนใหญ่โดยกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนของมอนาไซต์ โลหะนั้นได้รับโดยการอิเล็กโทรไลซิสเกลือฮาไลด์ของมัน ปัจจุบัน นีโอดิเมียมส่วนใหญ่ถูกสกัดจาก (Ce,La,Nd,Pr)CO3F ในบาสตานาทาไนต์ และทำให้บริสุทธิ์โดยการสกัดด้วยตัวทำละลาย การทำให้บริสุทธิ์โดยการแลกเปลี่ยนไอออนจะสำรองความบริสุทธิ์สูงสุด (โดยปกติ > 99.99%) สำหรับการเตรียม เนื่องจากเป็นเรื่องยากที่จะขจัดร่องรอยสุดท้ายของเพรซีโอดิเมียมในยุคที่การผลิตขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการตกผลึกแบบขั้นตอน แก้วนีโอดิเมียมรุ่นแรกๆ ที่ผลิตขึ้นในช่วงปี 1930 จึงมีสีม่วงบริสุทธิ์กว่าและมีโทนสีแดงหรือส้มมากกว่ารุ่นปัจจุบัน

โลหะนีโอไดเมียม

นีโอไดเมียมโลหะมีประกายสีเงินวาว จุดหลอมเหลว 1,024°C ความหนาแน่น 7.004 g/cm และพาราแมกเนติก นีโอไดเมียมเป็นโลหะหายากที่มีฤทธิ์แรงที่สุดชนิดหนึ่ง โดยออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วและเปลี่ยนเป็นสีเข้มในอากาศ จากนั้นจึงสร้างชั้นออกไซด์และลอกออก ทำให้โลหะสัมผัสกับออกซิเดชันเพิ่มเติม ดังนั้น นีโอไดเมียมตัวอย่างที่มีขนาด 1 เซนติเมตรจึงถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ภายในหนึ่งปี โดยจะทำปฏิกิริยาช้าในน้ำเย็นและทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วในน้ำร้อน

โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์นีโอไดเมียม

การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f4

ประสิทธิภาพเลเซอร์ของนีโอไดเมียมเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนวงโคจร 4f ระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน วัสดุเลเซอร์นี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสาร การจัดเก็บข้อมูล การรักษาทางการแพทย์ การตัดเฉือน เป็นต้น โดยอลูมิเนียมการ์เนตอิตเทรียม Y3Al5O12:Nd(YAG:Nd) ใช้กันอย่างแพร่หลายด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม และแกโดลิเนียมสแกนเดียมแกลเลียมการ์เนตที่เจือด้วย Nd ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า

การประยุกต์ใช้ของนีโอไดเมียม

ผู้ใช้แม่เหล็กถาวร NdFeB รายใหญ่ที่สุดคือแม่เหล็ก NdFeB แม่เหล็ก NdFeB ได้รับการยกย่องว่าเป็น “ราชาแห่งแม่เหล็กถาวร” เนื่องจากมีพลังงานแม่เหล็กสูง แม่เหล็ก NdFeB ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักร และอุตสาหกรรมอื่นๆ เนื่องจากมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม Francis Wall ศาสตราจารย์ด้านการทำเหมืองประยุกต์ที่ Cumberland School of Mining มหาวิทยาลัย Exeter สหราชอาณาจักร กล่าวว่า “ในแง่ของแม่เหล็ก ไม่มีอะไรที่สามารถแข่งขันกับแม่เหล็กนีโอไดเมียมได้ การพัฒนาเครื่องตรวจวัดสเปกตรัมแม่เหล็กอัลฟาที่ประสบความสำเร็จบ่งชี้ว่าคุณสมบัติทางแม่เหล็กของแม่เหล็ก NdFeB ในจีนได้เข้าสู่ระดับโลกแล้ว

แม่เหล็กนีโอไดเมียมบนฮาร์ดดิสก์

นีโอไดเมียมสามารถนำไปใช้ทำเซรามิก แก้วสีม่วงสดใส ทับทิมเทียมด้วยเลเซอร์ และแก้วชนิดพิเศษที่สามารถกรองรังสีอินฟราเรดได้ ใช้ร่วมกับเพรซิโอไดเมียมเพื่อทำแว่นตาสำหรับช่างเป่าแก้ว

การเติมนาโนนีโอดิเมียมออกไซด์ 1.5%~2.5% ลงในโลหะผสมแมกนีเซียมหรืออลูมิเนียมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง ความหนาแน่นของอากาศ และความทนทานต่อการกัดกร่อนของโลหะผสมได้ และยังใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นวัสดุสำหรับการบินและอวกาศ

นาโน-อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนตที่เจือปนด้วยนาโน-นีโอดิเมียมออกไซด์ผลิตลำแสงเลเซอร์คลื่นสั้นซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการเชื่อมและการตัดวัสดุบางที่มีความหนาต่ำกว่า 10 มม. ในอุตสาหกรรม

แท่งเลเซอร์ Nd:YAG

ในการรักษาทางการแพทย์ จะใช้เลเซอร์นาโนอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนตที่เจือด้วยนาโนนีโอดิเมียมออกไซด์ เพื่อขจัดบาดแผลจากการผ่าตัดหรือฆ่าเชื้อแผลแทนการใช้มีดผ่าตัด

กระจกนีโอไดเมียมทำขึ้นโดยการเติมนีโอไดเมียมออกไซด์ลงในแก้วที่หลอมละลาย สีลาเวนเดอร์มักปรากฏในกระจกนีโอไดเมียมภายใต้แสงแดดหรือหลอดไฟแบบไส้หลอด แต่สีฟ้าอ่อนจะปรากฏภายใต้แสงไฟหลอดฟลูออเรสเซนต์ นีโอไดเมียมสามารถใช้ระบายสีกระจกที่มีเฉดสีอ่อน เช่น ม่วงบริสุทธิ์ แดงไวน์ และเทาอุ่น

กระจกนีโอไดเมียม

ด้วยการพัฒนาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และการขยายตัวและขยายตัวของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแร่ธาตุหายาก นีโอดิเมียมจะมีพื้นที่การใช้ประโยชน์ที่กว้างขึ้น