Elemento mágico de terras raras: Itérbio

Itérbio: número atômico 70, peso atômico 173,04, nome do elemento derivado do local de sua descoberta. O conteúdo deitérbiona crosta é de 0,000266%, presente principalmente em depósitos de fosforita e ouro negro raro, enquanto o conteúdo em monazita é de 0,03%, com 7 isótopos naturais.

Descobrindo a História

Descoberto por: Marinak

Época: 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 vila de Yteerby, perto de Estocolmo, onde o minério de ítrio foi descoberto, esse novo elemento foi denominado Itérbio com o símbolo Yb.

Configuração eletrônica

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

Metal

Itérbio metálicoÉ 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- (tipo cristalino cúbico de face centrada) (temperatura ambiente de -798 °C); β- (tipo cristalino cúbico de corpo centrado) (acima de 798 °C). Ponto de fusão: 824 °C, ponto de ebulição: 1427 °C, densidade relativa: 6,977 (tipo α) e 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 à classe das terras raras de valência variável e também pode estar em um estado bivalente 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,metal lantânioé usado como agente redutor para destilação redutora, utilizando a diferença entre a alta pressão de vapor do metal itérbio e a baixa pressão de vapor do metal lantânio. Alternativamente,túlio, itérbio, elutécioConcentrados podem ser usados ​​como matérias-primas, e o lantânio metálico pode ser usado como agente redutor. Sob condições de vácuo de alta temperatura de >1100 ℃ e <0,133 Pa, o itérbio metálico pode ser extraído diretamente por destilação redutora.samárioeeurópio,O itérbio também pode ser separado e purificado por redução úmida. Normalmente, concentrados de túlio, itérbio e lutécio são utilizados como matérias-primas. Após a dissolução, o itérbio é reduzido a um estado bivalente, causando diferenças significativas nas propriedades, e então separado de outras terras raras trivalentes. A produção de óxido de itérbio de alta pureza é geralmente realizada por cromatografia de extração ou método de troca iônica.

Aplicativo

Utilizado para fabricação de ligas especiais.Ligas de itérbiotêm sido aplicados 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 de laser.

Com a construção e o 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 de itérbio, devido às suas excelentes propriedades espectrais, podem ser utilizados como materiais de amplificação de fibras para comunicação óptica, assim comoérbioetúlioEmbora o elemento de terras raras érbio ainda seja o principal componente na preparação de amplificadores de fibra, as fibras tradicionais de quartzo dopadas com érbio apresentam uma pequena largura de banda de ganho (30 nm), dificultando o atendimento aos requisitos de transmissão de informações em alta velocidade e alta capacidade. Os íons Yb3+ têm uma seção transversal de absorção muito maior do que os íons Er3+, em torno de 980 nm. Através do efeito de sensibilização do Yb3+ e da transferência de energia do érbio e do itérbio, a luz de 1530 nm pode ser bastante amplificada, melhorando significativamente a eficiência de amplificação da luz.

Nos últimos anos, o vidro de fosfato dopado com érbio e itérbio tem sido cada vez mais procurado por pesquisadores. Os vidros de fosfato e fluorofosfato apresentam boa estabilidade química e térmica, além de ampla transmitância infravermelha e características de grande alargamento não uniforme, tornando-os materiais ideais para fibra de vidro de amplificação dopada com érbio de alto ganho e banda larga. Amplificadores de fibra dopados com Yb3+ podem alcançar amplificação de potência e amplificação de pequenos sinais, tornando-os adequados para áreas como sensores de fibra óptica, comunicação a laser em espaço livre e amplificação de pulso ultracurto. A China construiu atualmente o maior sistema de transmissão óptica de canal único e velocidade mais rápida do mundo, além de possuir a rodovia de informações mais larga do mundo. Amplificadores de fibra e materiais de laser dopados com ítrio e outras terras raras desempenham um papel crucial e significativo nesses processos.

As características espectrais do itérbio também são utilizadas como materiais de laser de alta qualidade, tanto como cristais de laser, vidros de laser e lasers de fibra. Como material de laser de alta potência, os cristais de laser dopados com itérbio formaram uma vasta série, incluindo cristais de laser dopados com itérbio.ítrio alumíniogranada (Yb: YAG), dopada com itérbiogadolíniogranada de gálio (Yb: GGG), fluorofosfato de cálcio dopado com itérbio (Yb: FAP), fluorofosfato de estrôncio dopado com itérbio (Yb: S-FAP), vanadato de ítrio dopado com itérbio (Yb: YV04), borato dopado com itérbio e silicato. O laser semicondutor (LD) é um novo tipo de fonte de bombeamento para lasers de estado sólido. O Yb: YAG possui muitas características adequadas para bombeamento de LD de alta potência e se tornou um material de laser para bombeamento de LD de alta potência. O cristal Yb: S-FAP pode ser usado como material de laser para fusão nuclear a laser no futuro, o que atraiu a atenção das pessoas. Em cristais de laser sintonizáveis, há granada de gálio de ítrio de alumínio de ítrio de cromo (Cr, Yb, Ho: YAGG) com comprimentos de onda que variam de 2,84 a 3,05 μ continuamente ajustável entre m. De acordo com as estatísticas, a maioria das ogivas infravermelhas usadas em mísseis ao redor do 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 saída de laser rápida, pulsada, contínua e ajustável. Os resultados da pesquisa foram aplicados na defesa nacional, na indústria e na engenharia científica, e produtos de cristal dopados com itérbio foram exportados para vários países e regiões, como Estados Unidos e Japão.

Outra categoria importante de materiais para laser de itérbio é o vidro para laser. Diversos vidros para laser de alta emissão e seção transversal foram desenvolvidos, incluindo telurito de germânio, niobato de silício, borato e fosfato. Devido à facilidade de moldagem do vidro, ele pode ser fabricado 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 para laser de terras raras costumava ser principalmenteneodímiovidro, com um histórico de desenvolvimento de mais de 40 anos e tecnologia de produção e aplicação madura. Sempre foi o material preferido para dispositivos a laser de alta potência e tem sido usado em dispositivos experimentais de fusão nuclear e armas a laser. Os dispositivos a laser de alta potência fabricados na China, consistindo em laserneodímioO vidro, como principal meio de laser, atingiu o nível mais avançado do mundo. Mas o vidro de neodímio para laser agora enfrenta um poderoso desafio: o vidro de itérbio para laser.

Nos últimos anos, um grande número de estudos mostrou que muitas propriedades do vidro de itérbio a laser excedem as doneodímiovidro. Devido ao fato de que a luminescência dopada com itérbio tem 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 tem 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 de itérbio para laser frequentemente depende da assistência do neodímio, como o uso de Nd3+ como um sensibilizador para fazer o vidro de itérbio para laser operar em temperatura ambiente e a emissão de laser μ é alcançada no comprimento de onda m. Portanto, o itérbio e o neodímio são concorrentes e parceiros colaborativos no campo do vidro para laser.

Ajustando a composição do vidro, muitas propriedades luminescentes do vidro laser de itérbio podem ser melhoradas. Com o desenvolvimento de lasers de alta potência como principal direção, 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 ítrio está se tornando o material preferido para obter melhorias na fusão por confinamento inercial (ICF) no século XXI devido ao seu excelente desempenho a laser.

Armas a laser utilizam a enorme energia de um feixe de laser para atingir e destruir alvos, gerando temperaturas de bilhões de graus Celsius e atacando diretamente à velocidade da luz. Podem ser chamadas de Nadana e possuem alta letalidade, sendo especialmente adequadas para sistemas modernos de armas de defesa aérea em guerra. O excelente desempenho do vidro laser dopado com itérbio o tornou um importante material básico para a fabricação de armas a laser de alta potência e alto desempenho.

O laser de fibra é uma nova tecnologia em rápido desenvolvimento e também pertence ao campo de aplicações de vidro a laser. O laser de fibra é um laser que utiliza fibra como meio laser, sendo um produto da combinação de 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 por um diodo laser semicondutor como fonte de bombeamento, 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 aos lasers tradicionais de estado sólido e lasers semicondutores, apresenta vantagens tecnológicas e de desempenho, como alta qualidade do feixe, boa estabilidade, forte resistência à interferência ambiental, sem ajuste, sem manutenção e estrutura compacta. Devido ao fato de que os íons dopados são principalmente Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, todos os quais usam 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 de itérbio de alta potência tornou-se um campo em alta na tecnologia de laser de estado sólido internacionalmente nos últimos anos. Ele tem as vantagens de boa qualidade do feixe, estrutura compacta e alta eficiência de conversão, e tem amplas perspectivas de aplicação em processamento industrial e outros campos. As fibras duplamente revestidas de itérbio são adequadas para bombeamento de 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 duplamente revestida de itérbio da China não está mais no mesmo nível avançado de países estrangeiros. A fibra dopada com itérbio, a fibra duplamente revestida de itérbio e a fibra codopada com érbio e itérbio desenvolvidas na China atingiram o nível avançado de produtos estrangeiros similares em termos de desempenho e confiabilidade, têm vantagens de custo e possuem tecnologias patenteadas essenciais para vários produtos e métodos.

A mundialmente renomada empresa alemã de laser IPG anunciou recentemente que seu recém-lançado sistema de laser de fibra dopada com itérbio possui excelentes características de feixe, vida útil da bomba superior a 50.000 horas, comprimento de onda de emissão central de 1070 nm a 1080 nm e potência de saída de até 20 kW. O sistema já foi 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 laser que dizia "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 laser dopados com ítrio e vidro laser, como a nova força dos materiais laser sólidos, estão promovendo o desenvolvimento inovador da comunicação por fibra óptica e da tecnologia laser, especialmente em tecnologias laser de ponta, como lasers de fusão nuclear de alta potência, lasers de alta energia e lasers para armas de alta energia.

Além disso, o itérbio também é usado como ativador de pó fluorescente, em radiocerâmicas, aditivos para componentes de memória de computadores eletrônicos (bolhas magnéticas) e aditivos para vidros ópticos. Vale ressaltar que ítrio e ítrio são ambos elementos de terras raras. Embora existam diferenças significativas nos nomes e símbolos dos elementos em inglês, o alfabeto fonético chinês possui as mesmas sílabas. Em algumas traduções para o chinês, ítrio às vezes é erroneamente chamado de ítrio. Nesse caso, precisamos rastrear o texto original e combinar os símbolos dos elementos para confirmar.