희토류 원소가 어떻게 현대 기술을 가능하게 만드는가

지난 8월 중국은 희토류 합금으로 만든 자석을 이용해 전력을 소비하지 않고 열차를 공중에 띄우는 자기부상열차 노선 건설을 마쳤다.

신화/Alamy 스톡 사진

작성자: 닉 오가사

2023년 1월 16일 오전 8시

프랭크 허버트(Frank Herbert)의 스페이스 오페라 듄(Dune)에서는 향신료 멜란지라고 불리는 귀중한 천연 물질이 사람들에게 은하계 문명을 건설하기 위해 광활한 우주를 항해할 수 있는 능력을 부여합니다.

여기 지구상의 실제 생활에서는 희토류로 알려진 천연 금속 그룹이 우리 자신의 기술 기반 사회를 가능하게 했습니다. 거의 모든 현대 전자 제품에서 이러한 중요한 구성 요소에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

희토류는 수천 가지 다양한 요구 사항을 충족합니다. 예를 들어 세륨은 석유를 정제하는 촉매로 사용되며 가돌리늄은 원자로에서 중성자를 포착합니다. 그러나 이들 원소의 가장 뛰어난 능력은 발광성과 자성에 있습니다.

우리는 희토류를 사용하여 스마트폰 화면에 색을 입히고, 유로 지폐의 진위 여부를 알리기 위해 형광을 사용하며, 해저를 가로지르는 광섬유 케이블을 통해 신호를 중계합니다. 또한 세계에서 가장 강력하고 신뢰할 수 있는 자석을 만드는데도 필수적입니다. 헤드폰에서 음파를 생성하고, 공간을 통해 디지털 정보를 증폭시키며, 열추적 미사일의 궤적을 바꿉니다. 희토류는 풍력 에너지, 전기 자동차 등 녹색 기술의 성장을 주도하고 있으며 양자 컴퓨터의 새로운 구성 요소를 탄생시킬 수도 있습니다.

합성화학자이자 독립 컨설턴트인 Stephen Boyd는 "목록은 계속해서 늘어나고 있습니다."라고 말합니다. "그들은 어디에나 있어요."

희토류는 란탄족 원소(루테튬 및 주기율표의 한 줄에 있는 란타늄과 이테르븀 사이의 14개 원소)와 스칸듐 및 이트륨으로, 동일한 광상에서 발생하는 경향이 있으며 란타족 원소와 화학적 특성이 유사합니다. 이러한 회색에서 은빛 금속은 종종 높은 녹는점과 끓는점으로 가단성이 있습니다.

그들의 비밀스러운 힘은 전자에 있습니다. 모든 원자는 궤도라고 불리는 영역에 서식하는 전자로 둘러싸인 핵을 가지고 있습니다. 핵에서 가장 먼 궤도에 있는 전자는 원자가 전자로, 화학 반응에 참여하고 다른 원자와 결합을 형성합니다.

대부분의 란탄족 원소는 원자가 전자 근처에 있지만 핵에 약간 더 가까운 골디락스 구역에 거주하는 "f-전자"라고 불리는 또 다른 중요한 전자 세트를 보유하고 있습니다. "희토류 원소의 자기적 특성과 발광 특성을 모두 담당하는 것은 바로 이러한 f-전자입니다"라고 리노 네바다 대학의 무기 화학자인 Ana de Bettencourt-Dias는 말했습니다.

희토류는 17개 원소로 구성된 그룹입니다(주기율표에서 파란색으로 강조 표시됨). 란타나이드(루테튬, Lu와 란타늄으로 시작하는 행, La)로 알려진 희토류의 하위 집합은 각각 일반적으로 f 전자를 수용하는 하위 껍질을 포함하며, 이는 원소에 자기 및 발광 특성을 부여합니다.

일부 해안을 따라 밤바다는 생물발광 플랑크톤이 파도에 밀려들면서 때때로 청록색으로 빛납니다. 희토류 금속도 자극을 받으면 빛을 방출합니다. 비결은 f-전자를 간지럽히는 것이라고 de Bettencourt-Dias는 말합니다.

과학자와 엔지니어는 레이저나 램프와 같은 에너지원을 사용하여 희토류의 전자 중 하나를 들뜬 상태로 만든 다음 다시 무기력 상태, 즉 바닥 상태로 떨어뜨릴 수 있습니다. "란탄족 원소가 다시 바닥 상태로 돌아오면 빛을 방출합니다."라고 그녀는 말합니다.

각각의 희토류는 흥분될 때 정확한 파장의 빛을 안정적으로 방출한다고 de Bettencourt-Dias는 말합니다. 이러한 신뢰할 수 있는 정밀도를 통해 엔지니어는 많은 전자 장치의 전자기 방사를 신중하게 조정할 수 있습니다. 예를 들어 테르븀(Terbium)은 약 545나노미터 파장의 빛을 방출하므로 텔레비전, 컴퓨터, 스마트폰 화면의 녹색 형광체를 만드는 데 적합합니다. 두 가지 일반적인 형태를 갖는 유로퓸은 빨간색과 파란색 형광체를 만드는 데 사용됩니다. 이 형광체는 모두 합쳐서 대부분의 무지개 색조로 화면을 칠할 수 있습니다.