レアアース元素がどのように現代技術を可能にするのか

中国は8月、希土類合金で作られた磁石を使用し、電力を消費せずに車両を浮上させるリニアモーターカーの建設を完了した。

新華社/アラミー ストックフォト

ニック・オガサ著

2023 年 1 月 16 日午前 8 時

フランク・ハーバートのスペースオペラ『デューン』では、スパイスメランジと呼ばれる貴重な天然物質により、人々は広大な宇宙を航行して銀河間文明を構築する能力を得ることができます。

ここ地球上の実生活では、レアアースとして知られる天然金属のグループが、テクノロジーを活用した独自の社会を可能にしました。 ほぼすべての現代の電子機器におけるこれらの重要なコンポーネントの需要は急増しています。

レアアースは何千もの異なるニーズを満たします。たとえば、セリウムは石油精製の触媒として使用され、ガドリニウムは原子炉内で中性子を捕捉します。 しかし、これらの元素の最も優れた能力は、その発光と磁気にあります。

私たちはスマートフォンの画面を着色したり、ユーロ紙幣の真正性を示すために蛍光を発したり、海底を横切る光ファイバーケーブルを介して信号を中継したりするためにレアアースに依存しています。 これらは、世界で最も強力で信頼性の高い磁石を構築するためにも不可欠です。 これらはヘッドフォンで音波を生成し、空間を介してデジタル情報を増幅し、熱追尾ミサイルの軌道を変更します。 レアアースはまた、風力エネルギーや電気自動車などのグリーンテクノロジーの成長も推進しており、量子コンピューターの新しいコンポーネントを生み出す可能性もあります。

「リストは数え切れないほどあります」と合成化学者で独立コンサルタントのスティーブン・ボイドは言う。 「彼らはどこにでもいます。」

レアアースとは、ランタニド（ルテチウムと、周期表の 1 行にあるランタンとイッテルビウムの間の 14 個の元素すべて）にスカンジウムとイットリウムを加えたもので、これらは同じ鉱​​床で発生する傾向があり、ランタニドと同様の化学的性質を持っています。 これらの灰色から銀色の金属は、多くの場合、融点と沸点が高く展性があります。

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、電子は軌道と呼ばれる領域に存在します。 原子核から最も遠い軌道にある電子は価電子であり、化学反応に参加し、他の原子と結合を形成します。

ほとんどのランタニドは、「f 電子」と呼ばれる別の重要な電子セットを持っています。この電子は、価電子の近くで原子核にわずかに近いゴルディロックス ゾーンに存在します。 「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」とネバダ大学リノ校の無機化学者アナ・デ・ベッテンコート・ディアス氏は言う。

レアアースは 17 個の元素のグループです (周期表では青で強調表示されています)。 ランタニド (ルテチウム、Lu、およびランタン、La で始まる列) として知られる希土類のサブセットには、通常、元素に磁気特性と発光特性を与える f 電子を収容するサブシェルが含まれています。

一部の海岸では、生物発光プランクトンが波に揺れる中、夜の海が時折青緑色に輝きます。 希土類金属も刺激を受けると光を放射します。 コツは、彼らの 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。

科学者や技術者は、レーザーやランプなどのエネルギー源を使用して、レアアースの f 電子の 1 つを励起状態に励起し、その後、無力状態または基底状態に戻すことができます。 「ランタニドが基底状態に戻ると、光を発します」と彼女は言う。

それぞれのレアアースは、励起されると正確な波長の光を確実に放射します、とド・ベッテンコート・ディアス氏は言います。 この信頼性の高い精度により、エンジニアは多くの電子機器の電磁放射を注意深く調整することができます。 たとえば、テルビウムは約 545 ナノメートルの波長で光を放出するため、テレビ、コンピュータ、スマートフォンの画面に緑色の蛍光体を構成するのに適しています。 ユウロピウムには 2 つの一般的な形式があり、赤色と青色の蛍光体の製造に使用されます。 これらの蛍光体をすべて組み合わせると、画面を虹のほとんどの色合いで描くことができます。