Elemento mágico de terras raras: itérbio

Itérbio: número atômico 70, peso atômico 173,04, nome do elemento derivado de seu local de descoberta. O conteúdo de itérbio na crosta é de 0,000266%, presente principalmente em depósitos de fosforita e ouro negro raro. O conteúdo da monazita é de 0,03% e existem 7 isótopos naturais

Descoberto

Por: Marinak

Hora: 1878

Localização: Suíça

Em 1878, os químicos suíços Jean Charles e G Marignac descobriram um novo elemento de terra rara no “érbio”. Em 1907, Ulban e Weils apontaram que Marignac separou uma mistura de óxido de lutécio e óxido de itérbio. Em memória da pequena aldeia chamada Yteerby, perto de Estocolmo, onde foi descoberto o minério de ítrio, este novo elemento foi denominado Itérbio com o símbolo Yb.

Configuração eletrônica

Configuração eletrônica
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

Metal

O itérbio metálico é cinza prateado, dúctil e tem textura macia. À temperatura ambiente, o itérbio pode ser oxidado lentamente pelo ar e pela água.

Existem duas estruturas cristalinas: α- O tipo é um sistema cristalino cúbico de face centrada (temperatura ambiente -798 ℃); β- O tipo é uma rede cúbica de corpo centrado (acima de 798 ℃). Ponto de fusão 824 ℃, ponto de ebulição 1427 ℃, densidade relativa 6,977 (tipo α), 6,54 (tipo β).

Insolúvel em água fria, solúvel em ácidos e amônia líquida. É bastante estável no ar. Semelhante ao samário e ao európio, o itérbio pertence às terras raras de valência variável e também pode estar em estado divalente positivo, além de ser geralmente trivalente.

Devido a esta característica de valência variável, a preparação do itérbio metálico não deve ser realizada por eletrólise, mas sim pelo método de destilação redutora para preparação e purificação. Normalmente, o metal lantânio é usado como agente redutor para destilação de redução, utilizando a diferença entre a alta pressão de vapor do itérbio metálico e a baixa pressão de vapor do metal lantânio. Alternativamente,túlio, itérbio, elutécioconcentrados podem ser usados ​​como matéria-prima, elantânio metálicopode ser usado como agente redutor. Sob condições de vácuo de alta temperatura de> 1100 ℃ e <0,133Pa, o itérbio metálico pode ser extraído diretamente por destilação de redução. Assim como o samário e o európio, o itérbio também pode ser separado e purificado por meio de redução úmida. Normalmente, concentrados de túlio, itérbio e lutécio são usados ​​como matéria-prima. Após a dissolução, o itérbio é reduzido a um estado divalente, causando diferenças significativas nas propriedades, e então separado de outras terras raras trivalentes. A produção de produtos de alta purezaóxido de itérbiogeralmente é realizado por cromatografia de extração ou método de troca iônica。

Aplicativo

Utilizado para fabricação de ligas especiais. Ligas de itérbio têm sido aplicadas em medicina odontológica para experimentos metalúrgicos e químicos.

Nos últimos anos, o itérbio surgiu e se desenvolveu rapidamente nas áreas de comunicação por fibra óptica e tecnologia laser.

Com a construção e desenvolvimento da “rodovia da informação”, as redes de computadores e os sistemas de transmissão de fibra óptica de longa distância têm requisitos cada vez mais elevados para o desempenho dos materiais de fibra óptica utilizados na comunicação óptica. Os íons itérbio, devido às suas excelentes propriedades espectrais, podem ser usados ​​como materiais de amplificação de fibra para comunicação óptica, assim como o érbio e o túlio. Embora o elemento de terras raras érbio ainda seja o principal ator na preparação de amplificadores de fibra, as fibras tradicionais de quartzo dopadas com érbio têm uma pequena largura de banda de ganho (30nm), dificultando o atendimento aos requisitos de transmissão de informações de alta velocidade e alta capacidade. Os íons Yb3+ têm uma seção transversal de absorção muito maior do que os íons Er3+ em torno de 980nm. Através do efeito de sensibilização do Yb3+ e da transferência de energia do érbio e do itérbio, a luz de 1530nm pode ser bastante aprimorada, melhorando significativamente a eficiência de amplificação da luz.

Nos últimos anos, o vidro fosfato codopado com érbio e itérbio tem sido cada vez mais preferido pelos pesquisadores. Os vidros de fosfato e fluorofosfato têm boa estabilidade química e térmica, bem como ampla transmitância infravermelha e grandes características de alargamento não uniformes, tornando-os materiais ideais para fibra de vidro de amplificação dopada com érbio de banda larga e alto ganho. Os amplificadores de fibra dopada com Yb3 + podem obter amplificação de potência e pequena amplificação de sinal, tornando-os adequados para campos como sensores de fibra óptica, comunicação a laser em espaço livre e amplificação de pulso ultracurto. A China construiu atualmente a maior capacidade de canal único e o sistema de transmissão óptica de velocidade mais rápida do mundo, e possui a mais ampla rodovia de informação do mundo. Amplificadores de fibra dopada com itérbio e outros materiais de laser dopados com terras raras desempenham um papel crucial e significativo neles.

As características espectrais do itérbio também são usadas como materiais de laser de alta qualidade, tanto como cristais de laser, óculos de laser e lasers de fibra. Como um material de laser de alta potência, os cristais de laser dopados com itérbio formaram uma série enorme, incluindo granada de ítrio-alumínio dopada com itérbio (Yb: YAG), granada de gadolínio e gálio dopada com itérbio (Yb: GGG), fluorofosfato de cálcio dopado com itérbio (Yb: FAP) , fluorofosfato de estrôncio dopado com itérbio (Yb: S-FAP), dopado com itérbio vanadato de ítrio (Yb: YV04), borato dopado com itérbio e silicato. O laser semicondutor (LD) é um novo tipo de fonte de bomba para lasers de estado sólido. Yb: YAG tem muitas características adequadas para bombeamento LD de alta potência e se tornou um material a laser para bombeamento LD de alta potência. Yb: O cristal S-FAP pode ser usado como material de laser para fusão nuclear a laser no futuro, o que tem atraído a atenção das pessoas. Em cristais de laser sintonizáveis, há granada de cromo itérbio hólmio ítrio alumínio gálio (Cr, Yb, Ho: YAGG) com comprimentos de onda variando de 2,84 a 3,05 μ continuamente ajustáveis ​​entre m. De acordo com as estatísticas, a maioria das ogivas infravermelhas usadas em mísseis em todo o mundo usa 3-5 μ. Portanto, o desenvolvimento de lasers Cr, Yb, Ho: YSGG pode fornecer interferência eficaz para contramedidas de armas guiadas por infravermelho médio e tem importante significado militar. A China alcançou uma série de resultados inovadores com nível avançado internacional no campo de cristais de laser dopados com itérbio (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP, etc.), resolvendo tecnologias-chave como crescimento de cristal e laser rápido, pulso, saída contínua e ajustável. Os resultados da pesquisa foram aplicados na defesa nacional, na indústria e na engenharia científica, e os produtos de cristal dopado com itérbio foram exportados para vários países e regiões, como os Estados Unidos e o Japão.

Outra categoria importante de materiais de laser de itérbio é o vidro laser. Vários vidros laser de seção transversal de alta emissão foram desenvolvidos, incluindo telurito de germânio, niobato de silício, borato e fosfato. Devido à facilidade de moldagem do vidro, ele pode ser confeccionado em grandes tamanhos e possui características como alta transmitância de luz e alta uniformidade, possibilitando a produção de lasers de alta potência. O conhecido vidro laser de terras raras costumava ser principalmente vidro de neodímio, que tem uma história de desenvolvimento de mais de 40 anos e tecnologia madura de produção e aplicação. Sempre foi o material preferido para dispositivos laser de alta potência e tem sido usado em dispositivos experimentais de fusão nuclear e armas laser. Os dispositivos laser de alta potência construídos na China, consistindo em vidro de neodímio laser como principal meio de laser, atingiram o nível avançado do mundo. Mas o vidro de neodímio a laser agora enfrenta um poderoso desafio do vidro de itérbio a laser.

Nos últimos anos, um grande número de estudos mostrou que muitas propriedades do vidro de itérbio a laser excedem as do vidro de neodímio. Devido ao fato de a luminescência dopada com itérbio possuir apenas dois níveis de energia, a eficiência de armazenamento de energia é alta. Com o mesmo ganho, o vidro de itérbio tem uma eficiência de armazenamento de energia 16 vezes maior que o vidro de neodímio e uma vida útil de fluorescência 3 vezes maior que a do vidro de neodímio. Ele também possui vantagens como alta concentração de dopagem, largura de banda de absorção e pode ser bombeado diretamente por semicondutores, tornando-o muito adequado para lasers de alta potência. No entanto, a aplicação prática do vidro laser de itérbio muitas vezes depende da assistência do neodímio, como o uso de Nd3 + como sensibilizador para fazer o vidro laser de itérbio operar à temperatura ambiente e a emissão do laser μ é alcançada no comprimento de onda m. Portanto, o itérbio e o neodímio são concorrentes e parceiros colaborativos na área de vidro laser.

Ao ajustar a composição do vidro, muitas propriedades luminescentes do vidro laser de itérbio podem ser melhoradas. Com o desenvolvimento de lasers de alta potência como direção principal, os lasers feitos de vidro laser de itérbio são cada vez mais utilizados na indústria moderna, agricultura, medicina, pesquisa científica e aplicações militares.

Uso militar: Utilizar a energia gerada pela fusão nuclear como energia sempre foi um objetivo esperado, e alcançar a fusão nuclear controlada será um meio importante para a humanidade resolver problemas energéticos. O vidro laser dopado com itérbio está se tornando o material preferido para obter atualizações de fusão por confinamento inercial (ICF) no século 21 devido ao seu excelente desempenho do laser.

As armas laser utilizam a enorme energia de um raio laser para atingir e destruir alvos, gerando temperaturas de milhares de milhões de graus Celsius e atacando diretamente à velocidade da luz. Eles podem ser chamados de Nadana e possuem grande letalidade, especialmente adequados para modernos sistemas de armas de defesa aérea em guerra. O excelente desempenho do vidro laser dopado com itérbio tornou-o um material básico importante para a fabricação de armas laser de alta potência e desempenho.

O laser de fibra é uma nova tecnologia em rápido desenvolvimento e também pertence ao campo de aplicações de vidro laser. O laser de fibra é um laser que utiliza fibra como meio laser, que é um produto da combinação da tecnologia de fibra e laser. É uma nova tecnologia de laser desenvolvida com base na tecnologia de amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA). Um laser de fibra é composto de um diodo laser semicondutor como fonte de bomba, um guia de onda de fibra óptica e um meio de ganho, e componentes ópticos, como fibras de grade e acopladores. Não requer ajuste mecânico do caminho óptico e o mecanismo é compacto e fácil de integrar. Comparado com os tradicionais lasers de estado sólido e lasers semicondutores, possui vantagens tecnológicas e de desempenho, como alta qualidade de feixe, boa estabilidade, forte resistência a interferências ambientais, sem ajuste, sem manutenção e estrutura compacta. Devido ao fato de os íons dopados serem principalmente Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, todos os quais utilizam fibras de terras raras como meio de ganho, o laser de fibra desenvolvido pela empresa também pode ser chamado de laser de fibra de terras raras.

Aplicação do laser: O laser de fibra dupla revestida com itérbio de alta potência tornou-se um campo quente na tecnologia de laser de estado sólido internacionalmente nos últimos anos. Tem as vantagens de boa qualidade de feixe, estrutura compacta e alta eficiência de conversão, e tem amplas perspectivas de aplicação em processamento industrial e outros campos. As fibras dopadas com itérbio com revestimento duplo são adequadas para bombeamento a laser semicondutor, com alta eficiência de acoplamento e alta potência de saída do laser, e são a principal direção de desenvolvimento das fibras dopadas com itérbio. A tecnologia de fibra dopada com itérbio duplo revestido da China não está mais no mesmo nível do nível avançado de países estrangeiros. A fibra dopada com itérbio, a fibra dopada com itérbio com revestimento duplo e a fibra co-dopada com érbio e itérbio desenvolvidas na China atingiram o nível avançado de produtos estrangeiros semelhantes em termos de desempenho e confiabilidade, têm vantagens de custo e possuem tecnologias patenteadas essenciais para vários produtos e métodos .

A mundialmente famosa empresa alemã de laser IPG anunciou recentemente que seu recém-lançado sistema de laser de fibra dopada com itérbio tem excelentes características de feixe, uma vida útil da bomba de mais de 50.000 horas, um comprimento de onda de emissão central de 1070nm-1080nm e uma potência de saída de até 20KW. Tem sido aplicado em soldagem fina, corte e perfuração de rochas.

Os materiais laser são o núcleo e a base para o desenvolvimento da tecnologia laser. Sempre houve um ditado na indústria do laser que diz “uma geração de materiais, uma geração de dispositivos”. Para desenvolver dispositivos laser avançados e práticos, é necessário primeiro possuir materiais laser de alto desempenho e integrar outras tecnologias relevantes. Cristais de laser dopados com itérbio e vidro de laser, como a nova força dos materiais de laser sólidos, estão promovendo o desenvolvimento inovador de comunicação de fibra óptica e tecnologia de laser, especialmente em tecnologias de laser de ponta, como lasers de fusão nuclear de alta potência, batida de alta energia lasers de azulejos e lasers de armas de alta energia.

Além disso, o itérbio também é usado como ativador de pó fluorescente, radiocerâmica, aditivos para componentes eletrônicos de memória de computadores (bolhas magnéticas) e aditivos para vidro óptico. Deve-se ressaltar que o ítrio e o ítrio são elementos de terras raras. Embora existam diferenças significativas nos nomes e símbolos dos elementos em inglês, o alfabeto fonético chinês tem as mesmas sílabas. Em algumas traduções chinesas, o ítrio às vezes é erroneamente chamado de ítrio. Neste caso, precisamos rastrear o texto original e combinar os símbolos dos elementos para confirmar.