في أوبرا الفضاء لفرانك هربرت، بعنوان: الكثبان، نرى مادة طبيعية ثمينة تسمى مزيج التوابل تمنح الناس القدرة على الإبحار في مساحات شاسعة من الكون لبناء حضارة بين المجرات. في الحياة الواقعية هنا على الأرض، جعلت مجموعة من المعادن الطبيعية المعروفة باسم التربة النادرة مجتمعنا المدعوم بالتكنولوجيا ممكناً. يتزايد الطلب على هذه المكونات الحاسمة في جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة تقريباً.
تلبي العناصر الأرضية النادرة آلاف الاحتياجات المختلفة - يستخدم السيريوم، مثلاً، كمحفز لتكرير البترول، بينما يلتقط الغادولينيوم النيوترونات في المفاعلات النووية. لكن أبرز قدرات هذه العناصر تكمن في التلألؤ والمغناطيسية.
نحن نعتمد على العناصر الأرضية النادرة لتلوين شاشات هواتفنا الذكية، ونتألق للإشارة إلى أصالة الأوراق النقدية باليورو، وترحيل الإشارات عبر كابلات الألياف الضوئية عبر قاع البحر. كما أنها ضرورية لبناء بعض المغناطيسات الأقوى والأكثر موثوقية في العالم. تولد موجات صوتية في سماعات الرأس، وتعزز المعلومات الرقمية عبر الفضاء وتغير مسارات الصواريخ الحرارية. تقود العناصر الأرضية النادرة أيضاً نمو التقنيات الخضراء، مثل طاقة الرياح والمركبات الكهربائية، وقد تؤدي أيضاً إلى ظهور مكونات جديدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. تأتي القوى الخارقة للتربة النادرة من إلكتروناتها.
الأتربة النادرة هي اللانثانيدات - اللوتيتيوم وجميع العناصر الأربعة عشر الموجودة بين اللانثانوم والإيتربيوم عبر صف واحد من الجدول الدوري - بالإضافة إلى سكانديوم والإيتريوم، والتي تميل إلى الحدوث في نفس رواسب الخام ولها خصائص كيميائية مماثلة للانثانيدات. غالباً ما تكون هذه المعادن الرمادية إلى الفضية قابلة للطرق وذات نقاط انصهار وغليان عالية.
تكمن قوتها السرية في إلكتروناتها. تحتوي جميع الذرات على نواة محاطة بالإلكترونات، والتي تسكن مناطق تسمى المدارات. الإلكترونات الموجودة في المدارات الأبعد عن النواة هي إلكترونات التكافؤ، التي تشارك في التفاعلات الكيميائية وتشكل روابط مع ذرات أخرى.
تمتلك معظم اللانثانيدات مجموعة مهمة أخرى من الإلكترونات تسمى "الإلكترونات f" ، والتي تسكن في منطقة Goldilocks بالقرب من إلكترونات التكافؤ ولكنها أقرب قليلاً إلى النواة. تقول آنا دي بيتنكور دياس عالمة الكيمياء غير العضوية في جامعة نيفادا - رينو: هذه الإلكترونات f هي المسؤولة عن كل من الخصائص المغناطيسية والإنارة لعناصر الأرض النادرة.
إن العناصر الأرض النادرة هي مجموعة من 17 عنصراً (مظللة باللون الأزرق في الجدول الدوري). مجموعة فرعية من العناصر الأرضية النادرة المعروفة باسم اللانثانيدات (اللوتيتيوم، بالإضافة إلى الصف الذي يبدأ باللانثانوم) تحتوي كل منها على قشرة فرعية تحتوي عادةً على الإلكترونات f ، والتي تضفي على العناصر خصائص مغناطيسية وضوئية.
الأتربة النادرة تضيف اللون والضوء
على طول بعض السواحل، يتوهج البحر الليلي أحياناً باللون الأخضر المزرق بينما تتدافع العوالق ذات الإضاءة الحيوية في الأمواج. تشع المعادن الأرضية النادرة الضوء أيضاً عند تحفيزها. الحيلة هي دغدغة إلكتروناتها f، كما تقول الدكتورة دي بيتنكور دياس.
باستخدام مصدر طاقة مثل الليزر أو المصباح، يمكن للعلماء والمهندسين دفع أحد الإلكترونات f للعناصر النادرة إلى حالة مثارة ثم تركها تعود إلى الخمول، أو حالتها الأرضية. تقول: "عندما تعود اللانثانيدات إلى حالتها الأرضية، فإنها تشع الضوء".
تقول دي بيتنكور دياس إن كل عنصر أرضي نادر يبعث بشكل موثوق أطوال موجية دقيقة من الضوء عند الإثارة. تسمح هذه الدقة للمهندسين بضبط الإشعاع الكهرومغناطيسي بعناية في العديد من الإلكترونيات. فالتيربيوم مثلاً يبعث الضوء بطول موجة يبلغ حوالي 545 نانومتر، ما يجعله جيداً لبناء الفوسفور الأخضر في شاشات التلفزيون والكمبيوتر والهواتف الذكية. اليوروبيوم، الذي يملك شكلين شائعين، يستخدم لبناء الفوسفور الأحمر والأزرق. معاً، يمكن لهذه الفوسفورات أن ترسم شاشات مع معظم ظلال قوس قزح.
تشع الأتربة النادرة أيضاً ضوءاً غير مرئي مفيداً. الإيتريوم هو عنصر رئيسي في عقيق الإيتريوم والألمنيوم، أو YAG، وهو بلور صناعي يشكل جوهر العديد من أنواع الليزر عالية الطاقة. يقوم المهندسون بضبط الأطوال الموجية لهذه الليزرات عن طريق ربط بلورات YAG بعناصر نادرة أخرى. أكثر الأنواع شيوعاً هي ليزر YAG المغطى بالنيوديميوم، والذي يستخدم في كل شيء بدءاً من تقطيع الفولاذ إلى إزالة الوشم إلى تحديد المدى بالليزر. تعد أشعة ليزر Erbium-YAG خياراً جيداً للعمليات الجراحية طفيفة التوغل لأنها تمتص بسهولة عن طريق الماء في اللحم وبالتالي لن تنقسم إلى عمق كبير.
بخلاف الليزر، يعد اللانثانوم ضرورياً لصنع زجاج يمتص الأشعة تحت الحمراء في نظارات الرؤية الليلية. يقول تيان زونج، مهندس جزيئات في جامعة شيكاغو: "إن الإربيوم هو الذي يقود الإنترنت لدينا". إذ تنتقل الكثير من معلوماتنا الرقمية عبر الألياف الضوئية كضوء بطول موجة يبلغ حوالي 1550 نانومتراً - نفس الطول الموجي الذي يصدره الإربيوم. تخفت الإشارات في كابلات الألياف الضوئية أثناء انتقالها بعيداً عن مصدرها. نظراً لأن هذه الكابلات يمكن أن تمتد لآلاف الكيلومترات عبر قاع البحر، يُضاف الإربيوم إلى الألياف لتعزيز الإشارات.
مغناطيسات قوية
في عام 1945 ، أنشأ العلماء ENIAC وهو أول كمبيوتر رقمي للأغراض العامة قابل للبرمجة في العالم. يزن ENIAC، الملقب بـ "الدماغ العملاق"، أكثر من وزن أربعة أفيال ويبلغ حجم أقدامه حوالي ثلثي مساحة ملعب التنس.
بعد أقل من 80 عاماً، أصبح الهاتف الذكي في كل مكان - الذي يتميز بقوة حوسبة أكبر بكثير مما فعله ENIAC - يناسب راحة يدنا. يدين المجتمع بهذا التصغير للتكنولوجيا الإلكترونية في جزء كبير منه إلى القوة المغناطيسية الاستثنائية للأتربة النادرة. يمكن للمغناطيسات الأرضية النادرة الصغيرة القيام بنفس عمل المغناطيسات الكبيرة المصنوعة بدون تربة نادرة.
نظراً لأن هذه الإلكترونات f المنفردة تتأرجح خلف غلاف إلكترونات التكافؤ، فإن دورانها المتزامن محمي إلى حد ما من قوى إزالة المغناطيسية مثل الحرارة والمجالات المغناطيسية الأخرى، ما يجعلها رائعة لبناء مغناطيس دائم. المغناطيسات الدائمة، مثل تلك التي تحمل الصور على باب الثلاجة، تولد بشكل سلبي المجالات المغناطيسية التي تنشأ من تركيبها الذري، على عكس المغناطيسات الكهربائية، التي تتطلب تياراً كهربائياً ويمكن إيقاف تشغيلها.
أقوى مغناطيسات السبائك الأرضية النادرة هي مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون. يمكن لمغناطيس سبيكة النيوديميوم الذي يبلغ وزنه ثلاثة كيلوغرامات رفع الأشياء التي يزيد وزنها عن 300 كيلوغرام. إن أكثر من 95 % من المغناطيسات الدائمة في العالم مصنوعة من هذه السبائك الأرضية النادرة. كما يولد مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون اهتزازات في الهواتف الذكية، وينتج أصواتاً في سماعات الأذن وسماعات الرأس، ويمكن من قراءة البيانات وكتابتها في محركات الأقراص الثابتة وتوليد المجالات المغناطيسية المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. ويمكن أن تؤدي إضافة القليل من الديسبروسيوم إلى هذه المغناطيسات إلى تعزيز مقاومة السبيكة للحرارة، ما يجعلها خياراً جيداً للأجزاء التي تدور في الأجزاء الداخلية الساخنة للعديد من محركات السيارات الكهربائية.
كانت مغناطيسات السماريوم والكوبالت، التي تم تطويرها في الستينيات من القرن الماضي، أول مغناطيسات أرضية نادرة شائعة. على الرغم من أنها أضعف قليلاً من مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون، إلا أن مغناطيسات السماريوم والكوبالت تتمتع بمقاومة فائقة للحرارة والتآكل، لذا فهي تعمل في المحركات عالية السرعة والمولدات وأجهزة استشعار السرعة في السيارات والطائرات وفي الأجزاء المتحركة من بعض الصواريخ الحرارية. يشكل مغناطيس السماريوم والكوبالت أيضاً قلب معظم أنابيب الموجات المتنقلة، والتي تعزز الإشارات من أنظمة الرادار وأقمار الاتصالات. تنقل بعض هذه الأنابيب البيانات من المركبة الفضائية فوييجر 1 - وهي حالياً أبعد جسم من صنع الإنسان - على بعد أكثر من 23 مليار كيلومتر.
نظراً لكونها قوية وموثوقة، فإن المغناطيسات الأرضية النادرة تدعم التقنيات الخضراء. فهي موجودة في المحركات ومحركات الدفع ونظام التوجيه المعزز والعديد من المكونات الأخرى للمركبات الكهربائية. أثار استخدام Tesla لمغناطيس سبائك النيوديميوم في سياراتها من الطراز 3 الأبعد نطاقاً مخاوف بشأن سلسلة التوريد. توفر الصين الغالبية العظمى من النيوديميوم في العالم.
تُستخدم المغناطيسات الأرضية النادرة أيضاً في العديد من توربينات الرياح البحرية لتحل محل علب التروس، مما يعزز الكفاءة ويقلل من الصيانة. في آب قدم المهندسون الصينيون "قوس قزح" ، وهو أول خط قطار مغناطيسي في العالم يعتمد على مغناطيسات أرضية نادرة تمكّن القطارات من الطفو دون استهلاك الكهرباء.
في المستقبل، قد تؤدي الأتربة النادرة إلى تطوير الحوسبة الكمومية. بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية البتات الثنائية (1 و 0) ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات، والتي يمكن أن تشغل حالتين في وقت واحد. كما اتضح فإن البلورات التي تحتوي على أتربة نادرة تصنع كيوبتات جيدة، لأن الإلكترونات f المحمية يمكنها تخزين المعلومات الكمومية لفترات طويلة من الزمن. في يوم من الأيام، قد يستفيد علماء الكمبيوتر من خصائص الإنارة للأتربة النادرة في الكيوبتات لمشاركة المعلومات بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية وولادة الإنترنت الكمي.
قد يكون من السابق لأوانه التنبؤ بالضبط بكيفية استمرار المعادن الأرضية النادرة في التأثير على توسع هذه التقنيات المتنامية. ولكن ربما يكون من الآمن أن نقول: سنحتاج إلى المزيد من العناصر الأرضية النادرة.
----