レアアースに隠された電子が現代技術の多くを可能にする

上海トランスラピッドは、最高時速 430 キロメートル (270 マイル) の速度で走行する高速磁気浮上 (リニアモーターカー) 列車です。 このようなシステムに必要な磁石は希土類金属に依存しています。 現在、6 つの鉄道が高速かつ低エネルギーのリニアモーターカーサービスを提供しています。

クリスチャン・ピーターセン=クラウゼン/モーメント・オープン/ゲッティイメージズプラス

ニック・オガサ著

2023 年 5 月 4 日午前 6 時 30 分

フランク・ハーバートの『砂丘』シリーズの第 1 巻は、1965 年に初登場しました。スパイス メランジと呼ばれる貴重な天然物質の採掘は、この壮大な宇宙物語の推進テーマでした。 このスパイスは、人々に宇宙の広大な空間をナビゲートする能力を与えました。 それは銀河間文明の基礎にもなりました。 もちろん、それはフィクションでした。

ここ地球に戻ってみると、現実の世界では、金属元素のグループが私たち独自のテクノロジー主導の社会を可能にしました。 レアアースと呼ばれるこれら 17 個の元素は、現代のほぼすべての電子機器にとって重要です。 そして、これらの金属の需要は急増しています。

ほとんどの周期表では 15 個のレアアースが 1 行を構成しています。 ランタニドとして知られるそれらは、ランタンからルテチウム (原子番号 57 から 71) まであります。また、スカンジウム (原子番号 21) とイットリウム (原子番号 39) もレアアースに含まれます。 これら最後の 2 つの元素は、ランタニドと同じ鉱床で発生する傾向があります。 それらは同様の化学的特性も持っています。

希土類セリウムは、原油を加工して多くの有用な製品を生成する触​​媒として機能します。 原子炉は別のガドリニウムに依存しています。 中性子を捕捉して、原子炉の燃料によるエネルギーの生成を制御します。

しかし、レアアースの最も優れた能力は、その発光と磁性です。 たとえば、スマートフォンの画面を着色するために私たちはレアアースに依存しています。 彼らは蛍光を発して、ユーロ紙幣が本物であることを示します。 海底に沿って光ファイバーケーブルを通じて信号を中継します。 また、世界で最も強力で信頼性の高い磁石の構築にも役立ちます。 これらの金属はヘッドフォン内で音波を生成し、空間を介してデジタル データを増幅します。

最近では、レアアースが風力発電や電気自動車などのグリーンテクノロジーの成長を促進しています。 量子コンピューターで使用される新しい部品が誕生する可能性もあります。

「それらはどこにでもあります」とスティーブン・ボイドはこれらの金属について言います。 彼は合成化学者であり、カリフォルニア州ディクソンに拠点を置く独立コンサルタントです。レアアースの用途に関して言えば、「リストは数えきれないほどあります。」と彼は言います。

レアアースは展性がある（変形しやすい）傾向があります。 これらの金属は融点と沸点も高くなります。 しかし、彼らの秘密の力は電子にあります。

すべての原子には電子に囲まれた原子核があります。 それらの小さな電子は軌道と呼ばれるゾーンに生息しています。 原子核から最も遠い軌道にある電子は価電子として知られています。 それらは化学反応に参加し、原子同士を結び付ける結合を形成します。

ほとんどのランタニドは、別の重要な電子セットを持っています。 これらの「f電子」はゴルディロックスゾーンに存在します。 それは価電子の近くにありますが、原子核にわずかに近いところにあります。 「希土類元素の磁気特性と発光特性の両方を担うのはこれらの f 電子です」とアナ・デ・ベッテンコート・ディアス氏は言います。 彼女はネバダ大学リノ校の無機化学者です。

刺激を受けると、希土類金属は光を放射します。 コツは、f電子をくすぐることだ、とド・ベッテンコート・ディアス氏は言う。 レーザービームなどのエネルギー源は、希土類元素内の 1 つの f 電子を衝突させることができます。 このエネルギーは電子を励起状態に押し上げます。 その後、開始状態、つまり基底状態に戻ります。 その際、これらの f 電子は光を放出します。

17 個の元素のグループ (この周期表では青で強調表示されています) はレアアースとして知られています。 ランタニドとして知られるそれらのサブセット (ルテチウム、Lu、およびランタン、La で始まる行) が 1 つの行に表示されます。 希土類元素には、これらの金属に磁性と発光特性を与える電子 (f 電子と呼ばれる) のサブシェルがあります。