Magický prvek vzácných zemin: Ytterbium

YtterbiumAtomové číslo 70, atomová hmotnost 173,04, název prvku odvozený od místa jeho objevu. Obsah ytterbia v zemské kůře je 0,000266 %, je přítomen hlavně ve fosforitech a ložiskách černého vzácného zlata. Obsah v monazitu je 0,03 % a existuje 7 přírodních izotopů.

Objeven

Od: Marinak

Čas: 1878

Místo: Švýcarsko

V roce 1878 objevili švýcarští chemici Jean Charles a G. Marignac nový prvek vzácných zemin, „erbium“. V roce 1907 Ulban a Weils poukázali na to, že Marignac oddělil směs oxidu lutecia a oxidu ytterbia. Na památku malé vesnice Yteerby nedaleko Stockholmu, kde byla objevena yttriumová ruda, byl tento nový prvek pojmenován ytterbium se symbolem Yb.

Elektronová konfigurace

Elektronová konfigurace
1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 4s² 3d10 4p6 5s² 4d10 5p6 6s² 4f14

Kov

Kovové ytterbium je stříbrně šedé, tvárné a má měkkou texturu. Při pokojové teplotě může ytterbium pomalu oxidovat vzduchem a vodou.

Existují dvě krystalové struktury: α – typ je plošně centrovaná kubická krystalová soustava (pokojová teplota -798 ℃); β – typ je objemově centrovaná kubická mřížka (nad 798 ℃). Teplota tání 824 ℃, bod varu 1427 ℃, relativní hustota 6,977 (α – typ), 6,54 (β – typ).

Nerozpustný ve studené vodě, rozpustný v kyselinách a kapalném amoniaku. Na vzduchu je poměrně stabilní. Podobně jako samarium a europium patří ytterbium k kovům vzácných zemin s proměnnou valencí a kromě toho, že je obvykle trojmocný, může být také v kladném dvojmocném stavu.

Vzhledem k této proměnlivé valenční charakteristice by se příprava kovového ytterbia neměla provádět elektrolýzou, ale redukční destilací pro přípravu a čištění. Obvykle se jako redukční činidlo pro redukční destilaci používá kovový lanthan, který využívá rozdíl mezi vysokým tlakem par kovového ytterbia a nízkým tlakem par kovového lanthanu. Alternativně,thulium, ytterbiumaluteciumkoncentráty lze použít jako suroviny akovový lanthanLze použít jako redukční činidlo. Za podmínek vysoké teploty a vakua >1100 ℃ a <0,133 Pa lze kovové ytterbium přímo extrahovat redukční destilací. Stejně jako samarium a europium lze ytterbium také oddělit a vyčistit mokrou redukcí. Obvykle se jako suroviny používají koncentráty thulia, ytterbia a lutecia. Po rozpuštění se ytterbium redukuje na dvojmocný stav, což způsobuje významné rozdíly ve vlastnostech, a poté se oddělí od ostatních trojmocných vzácných zemin. Výroba vysoce čistýchoxid ytterbiaObvykle se provádí extrakční chromatografií nebo metodou iontové výměny.

Aplikace

Používá se k výrobě speciálních slitin. Slitiny ytterbia se používají v zubním lékařství pro metalurgické a chemické experimenty.

V posledních letech se ytterbium objevilo a rychle se rozvíjí v oblasti optické komunikace a laserové technologie.

S výstavbou a rozvojem „informační dálnice“ kladou počítačové sítě a systémy dálkového přenosu optických vláken stále vyšší požadavky na výkon materiálů optických vláken používaných v optické komunikaci. Ionty ytterbia lze díky svým vynikajícím spektrálním vlastnostem použít jako materiály pro zesilování vláken pro optickou komunikaci, stejně jako erbium a thulium. Přestože erbium, prvek vzácných zemin, je stále hlavním hráčem při výrobě zesilovačů vláken, tradiční křemenná vlákna dopovaná erbiem mají malou šířku pásma zesílení (30 nm), což ztěžuje splnění požadavků na vysokorychlostní a vysokokapacitní přenos informací. Ionty Yb3+ mají mnohem větší absorpční průřez než ionty Er3+ kolem 980 nm. Díky senzibilizačnímu efektu Yb3+ a přenosu energie erbia a ytterbia lze výrazně zesílit světlo o vlnové délce 1530 nm, čímž se výrazně zlepší účinnost zesílení světla.

V posledních letech se výzkumníci stále více zajímají o fosfátové sklo dopované ko-erbiem a yterbiem. Fosfátová a fluorofosfátová skla mají dobrou chemickou a tepelnou stabilitu, širokou propustnost infračerveného záření a velké nerovnoměrné rozšiřující charakteristiky, což z nich činí ideální materiály pro širokopásmová a vysoce zesílená vlákna dopovaná erbiem. Vláknové zesilovače dopované Yb3+ dokáží zesílit výkon a zesílit malé signály, což je činí vhodnými pro oblasti, jako jsou vláknové optické senzory, laserová komunikace ve volném prostoru a zesilování ultrakrátkých pulzů. Čína v současné době vybudovala největší jednokanálový optický přenosový systém na světě s největší kapacitou a nejrychlejší rychlostí a má nejširší informační dálnici na světě. Vláknové zesilovače a laserové materiály dopované yterbiem a dalšími vzácnými zeminami v nich hrají klíčovou a významnou roli.

Spektrální charakteristiky yterbia se také používají jako vysoce kvalitní laserové materiály, a to jak jako laserové krystaly, laserová skla, tak i vláknové lasery. Jako vysoce výkonný laserový materiál vytvořily yterbiem dopované laserové krystaly obrovskou řadu, včetně yterbiem dopovaného yttriovo-hlinitého granátu (Yb:YAG), yterbiem dopovaného gadoliniovo-galliového granátu (Yb:GGG), yterbiem dopovaného fluorofosforečnanu vápenatého (Yb:FAP), yterbiem dopovaného fluorofosforečnanu strontnatého (Yb:S-FAP), yterbiem dopovaného yttriového vanadičnanu (Yb:YV04), yterbiem dopovaného boritanu a silikátu. Polovodičový laser (LD) je nový typ zdroje čerpacího záření pro pevnolátkové lasery. Yb:YAG má mnoho vlastností vhodných pro vysoce výkonné čerpání LD a stal se laserovým materiálem pro vysoce výkonné čerpání LD. Krystal Yb:S-FAP by mohl být v budoucnu použit jako laserový materiál pro laserovou jadernou fúzi, což přitahuje pozornost lidí. V laditelných laserových krystalech se nachází chrom-yterbium-holmium-yttrium-hliník-gallium-granát (Cr, Yb, Ho:YAGG) s vlnovými délkami v rozmezí od 2,84 do 3,05 μ, které jsou plynule nastavitelné mezi m. Podle statistik většina infračervených hlavic používaných v raketách po celém světě používá 3-5 μ. Proto může vývoj laserů Cr, Yb, Ho:YSGG poskytnout účinné rušení pro protiopatření zbraní naváděných ve střední infračervené oblasti a má důležitý vojenský význam. Čína dosáhla řady inovativních výsledků s mezinárodní pokročilou úrovní v oblasti laserových krystalů dopovaných yterbiem (Yb:YAG, Yb:FAP, Yb:SFAP atd.), které řeší klíčové technologie, jako je růst krystalů a rychlý, pulzní, kontinuální a nastavitelný laserový výstup. Výsledky výzkumu byly uplatněny v národní obraně, průmyslu a vědeckém inženýrství a krystalické produkty dopované ytterbiem byly exportovány do mnoha zemí a regionů, jako jsou Spojené státy a Japonsko.

Další významnou kategorií yterbiových laserových materiálů je laserové sklo. Byla vyvinuta různá laserová skla s vysokým průřezem emise, včetně germanium teluritu, niobátu křemičitého, boritanu a fosfátu. Díky snadnému tvarování skla lze toto sklo vyrábět do velkých rozměrů a má vlastnosti, jako je vysoká propustnost světla a vysoká uniformita, což umožňuje výrobu vysoce výkonných laserů. Známé laserové sklo ze vzácných zemin dříve tvořilo převážně neodymové sklo, které má více než 40 let historie vývoje a zralou výrobní a aplikační technologii. Vždy bylo preferovaným materiálem pro vysoce výkonná laserová zařízení a používalo se v experimentálních zařízeních pro jadernou fúzi a laserových zbraních. Vysoce výkonná laserová zařízení vyráběná v Číně, která se skládají z laserového neodymového skla jako hlavního laserového média, dosáhla světové pokročilé úrovně. Laserové neodymové sklo však nyní čelí silné výzvě ze strany laserového yterbiového skla.

V posledních letech velké množství studií ukázalo, že mnoho vlastností laserového ytterbiového skla převyšuje vlastnosti neodymového skla. Vzhledem k tomu, že luminiscence dopovaná ytterbiem má pouze dvě energetické hladiny, je účinnost ukládání energie vysoká. Při stejném zesílení má ytterbiové sklo 16krát vyšší účinnost ukládání energie než neodymové sklo a 3krát delší dobu fluorescence než neodymové sklo. Má také výhody, jako je vysoká koncentrace dopování, absorpční šířka pásma a možnost přímého čerpání polovodiči, což ho činí velmi vhodným pro vysoce výkonné lasery. Praktické použití ytterbiového laserového skla však často závisí na pomoci neodymu, například použití Nd3+ jako senzibilizátoru pro provoz ytterbiového laserového skla při pokojové teplotě a emise μ laseru je dosažena na vlnové délce m. Ytterbium a neodym jsou tedy v oblasti laserového skla jak konkurenty, tak i spolupracujícími partnery.

Úpravou složení skla lze zlepšit mnoho luminiscenčních vlastností ytterbiového laserového skla. S rozvojem vysoce výkonných laserů jako hlavního směru se lasery vyrobené z ytterbiového laserového skla stále více používají v moderním průmyslu, zemědělství, medicíně, vědeckém výzkumu a vojenských aplikacích.

Vojenské využití: Využití energie generované jadernou fúzí jako zdroje energie bylo vždy očekávaným cílem a dosažení řízené jaderné fúze bude pro lidstvo důležitým prostředkem k řešení energetických problémů. Laserové sklo dopované ytterbiem se v 21. století stává preferovaným materiálem pro dosažení vylepšení inerciální fúze (ICF) díky svému vynikajícímu laserovému výkonu.

Laserové zbraně využívají obrovskou energii laserového paprsku k zasažení a zničení cílů, generují teploty miliard stupňů Celsia a útočí přímo rychlostí světla. Mohou být označovány jako Nadana a mají vysokou smrtící účinnost, obzvláště vhodné pro moderní zbraňové systémy protivzdušné obrany ve válečných podmínkách. Vynikající výkon laserového skla dopovaného ytterbiem z něj učinil důležitý základní materiál pro výrobu vysoce výkonných a vysoce výkonných laserových zbraní.

Vláknový laser je rychle se rozvíjející nová technologie a patří také do oblasti aplikací laserového skla. Vláknový laser je laser, který využívá vlákno jako laserové médium, což je produkt kombinace vláknové a laserové technologie. Jedná se o novou laserovou technologii vyvinutou na základě technologie vláknového zesilovače dopovaného erbiem (EDFA). Vláknový laser se skládá z polovodičové laserové diody jako zdroje energie, vláknového vlnovodu a zesilovacího média a optických komponent, jako jsou mřížková vlákna a vazební členy. Nevyžaduje mechanické nastavení optické dráhy a mechanismus je kompaktní a snadno integrovatelný. Ve srovnání s tradičními pevnolátkovými a polovodičovými lasery má technologické a výkonnostní výhody, jako je vysoká kvalita paprsku, dobrá stabilita, silná odolnost vůči rušení prostředí, žádná úprava, žádná údržba a kompaktní struktura. Vzhledem k tomu, že dopované ionty jsou převážně Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, které všechny používají vlákna vzácných zemin jako zesilovací médium, lze vláknový laser vyvinutý touto společností nazvat také vláknovým laserem vzácných zemin.

Aplikace laseru: Vysoce výkonný yterbiem dopovaný dvojitě plátovaný vláknový laser se v posledních letech stal mezinárodně žádaným oborem v technologii laserů na pevnolátkové bázi. Má výhody dobré kvality paprsku, kompaktní struktury a vysoké účinnosti konverze a má široké uplatnění v průmyslovém zpracování a dalších oblastech. Dvojitě plátovaná yterbiem dopovaná vlákna jsou vhodná pro čerpání polovodičových laserů, vyznačují se vysokou vazebnou účinností a vysokým výstupním výkonem laseru a představují hlavní směr vývoje yterbiem dopovaných vláken. Čínská technologie dvojitě plátovaných yterbiem dopovaných vláken již nedosahuje pokročilé úrovně zahraničních zemí. Vlákna dopovaná yterbiem, dvojitě plátovaná yterbiem dopovaná vlákna a yterbiem dopovaná vlákna vyvinutá v Číně dosáhla pokročilé úrovně podobných zahraničních produktů z hlediska výkonu a spolehlivosti, mají cenové výhody a mají základní patentované technologie pro řadu produktů a metod.

Světoznámá německá společnost zabývající se lasery IPG nedávno oznámila, že její nově uvedený vláknový laserový systém dopovaný ytterbiem má vynikající charakteristiky paprsku, životnost čerpadla přes 50 000 hodin, centrální emisní vlnovou délku 1070–1080 nm a výstupní výkon až 20 kW. Nachází uplatnění při jemném svařování, řezání a vrtání hornin.

Laserové materiály jsou jádrem a základem pro rozvoj laserové technologie. V laserovém průmyslu vždy platilo rčení, že „jedna generace materiálů, jedna generace zařízení“. Pro vývoj pokročilých a praktických laserových zařízení je nutné nejprve vlastnit vysoce výkonné laserové materiály a integrovat další relevantní technologie. Yterbiem dopované laserové krystaly a laserové sklo, jako nová síla pevných laserových materiálů, podporují inovativní rozvoj optické komunikace a laserové technologie, zejména v oblasti špičkových laserových technologií, jako jsou vysoce výkonné lasery pro jadernou fúzi, vysokoenergetické lasery s rytmickými dlaždicemi a vysokoenergetické lasery pro zbraně.

Kromě toho se ytterbium používá také jako aktivátor fluorescenčního prášku, radiokeramická látka, přísady do paměťových komponent elektronických počítačů (magnetické bubliny) a přísady do optického skla. Je třeba zdůraznit, že yttrium i yttrium jsou oba prvky vzácných zemin. Přestože existují značné rozdíly v anglických názvech a symbolech prvků, čínská fonetická abeceda má stejné slabiky. V některých čínských překladech je yttrium někdy mylně označováno jako yttrium. V tomto případě musíme vysledovat původní text a kombinovat symboly prvků, abychom to potvrdili.