Редкоземельные металлы состоят из 17 химических элементов в нижней части периодической таблицы. Вопреки своему наименованию они вовсе не такие уж редкие. Само слово «редкие» появилось оттого, что в XVIII веке, когда они были впервые открыты лейтенантом Карлом Экселем Аррениусом (Carl Axel Arrhenius), химиком шведской армии, их действительно редко находили. Но земная кора столь же изобилует некоторыми из них, как медью, свинцом или цинком. Даже два наиболее редких элемента, тулий и лютеций, встречаются примерно в 200 раз чаще, чем золото.

Проблема заключается в том, что эти элементы представлены в крайне малых концентрациях. В породах, которые их обычно содержат, они составляют всего 1-2%. Кроме того, они имеют тенденцию смешиваться друг с другом, а зачастую также и с радиоактивными торием и ураном. В итоге процессы выделения, разделения и рафинирования очень дороги и разрушительны для окружающей среды.

Уникальные свойства редкоземельных металлов являются следствием того, как электроны расположены в каждом из их атомов. Их внешние электронные оболочки (те, что содержат электроны, обращающиеся на дальних по отношению к ядру орбитах) подобны тем, что есть у металлов вроде железа и свинца. Но их внутренние оболочки (расположенные ближе к ядру) включают так называемые 4f-электроны, которые взаимодействуют с электрическим полем ядра так, что у редкоземельных металлов возникают их особые свойства.

По словам Рекса Хэрриса (Rex Harris), профессора материаловедения Бирмингемского университета (Великобритания), «именно присутствие этих 4f-электронов, прочно связанных с ядром в глубине электронного облака, придает редкоземельным металлам их уникальные свойства, используемые в столь многих высокотехнологичных продуктах. Поэтому соединения и сплавы с редкоземельными металлами имеют множество разных полезных применений».

Пожалуй, наиболее широкое применение находит неодим. Он — ключевой элемент мощных магнитов, изготовленных из сплава неодима с железом и бором (Nd-Fe-B). Этот металл сделал возможной миниатюризацию многих продуктов потребительской электроники и электромоторов. Магнитные свойства материалов связаны прежде всего с тем, что каждый электрон обладает орбитальным (вызванным движением вокруг ядра) и собственным (так называемым спиновым) магнитными моментами. Именно то, что 4f-электроны вращаются близко к ядру, наделяет неодим такими сильными магнитными свойствами.

«Когда неодим сплавляется с железом и бором, результатом становится крайне мощный постоянный магнит, который, несмотря на толщину меньше микрона, достаточно силен, чтобы работать везде, начиная с компьютерных жестких дисков и медицинских томографов и заканчивая электромоторами», — отмечает профессор Хэррис.

 

Именно такого рода свойства сделали редкоземельные металлы столь необходимыми. Общемировой спрос на редкоземельные металлы достиг 134 тыс. тонн в 2009 году, при том что произведено было только 129 тыс. тонн и почти весь этот объем — в Китае. Разница в настоящее время покрывается все уменьшающимися запасами на складах. Ожидается, что к 2012 году глобальный спрос на эти металлы достигнет 180 тыс. тонн, так как наша любовь к ноутбукам и жидкокристаллическим (LCD) экранам становится все сильнее, а нехватка нужных материалов — еще острее. Если учесть бурно растущий внутренний спрос в Китае и ограничения на экспорт, высокотехнологичные отрасли на Западе оказываются в уязвимой позиции.

Как же так получилось? Все дело в стремлении найти наиболее дешевого поставщика. «По моему мнению, китайцы действовали очень умно, — говорит Виталий Печарский, профессор материаловедения Айовского университета (США). — Они вытеснили другие страны из бизнеса добычи редкоземельных металлов с помощью искусственно заниженных цен, которые могли поддерживаться благодаря нестрогому регулированию в области охраны окружающей среды и низкому уровню зарплат. Западные горнодобывающие компании не могли конкурировать с ними, и производители были рады покупать продукцию по низким ценам, поэтому наши шахты закрывались».

Агрессивная политика Китая, которой страна придерживалась в 1990-х годах, позволила ей взять этот рынок под свой контроль. Как декларировал в 1992 году президент КНР того времени Дэн Сяопин, «Ближний Восток имеет нефть, Китай имеет редкоземельные металлы».


ЭЛЕМЕНТЫ ВАШЕГО ДОМА

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЛАМПЫ
Во флюоресцентных лампах используются европий и тербий, светящиеся в ультрафиолете красным, зеленым и голубым светом, дающими вместе белый свет.

ЖК-ТЕЛЕВИЗОРЫ
Тербий и европий находятся буквально за экраном вашего ЖК-телевизора. Когда электрический заряд активирует их электроны, они испускают свет в части спектра, необходимой для красного и зеленого цветов, которые вы видите. Они были нужны даже для первых электронно-лучевых цветных телевизоров. Церий и иттрий также используются в обоих видах телевизоров.

ГИБРИДНЫЕ АВТОМАШИНЫ
Для каждого никель-металлгидридного (NiMH) аккумулятора в Toyota Prius требуется 10-15 кг редкоземельного лантана. Способность лантана сохранять водород позволяет хранить больше энергии в течение длительного времени. В электромоторе используется чрезвычайно сильный неодим-железо-борный магнит.

НОУТБУК
Неодим используется в крошечных, но сильных магнитах в жестком диске ноутбука, которые контролируют головки, записывающие и считывающие информацию. Более точный контроль позволяет получить более тонкие дорожки и больший объем хранимой информации. Тербий, наряду с другими редкоземельными металлами, используется также в ЖК-дисплеях.

ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ

Волокна с добавлением эрбия передают световые импульсы, кодирующие данные, без потери мощности сигнала. Оптические свойства эрбия позволяют ему служить в качестве усилителя света, уменьшая потребность в ретрансляторах и снижая стоимость сверхбыстрой связи и кабельного телевидения.

СМАРТФОН
Кроме европия и тербия в ЖК- дисплее, в смартфоне используют неодимовый магнит для вибровызова. Способность аккумулятора хранить энергию зависит от лантана, для линз встроенной камеры нужен иттрий, а для динамика — самарий.