희토류의 숨겨진 전자는 현대 기술의 많은 부분을 가능하게 합니다.

Shanghai Transrapid는 시속 최대 430km(270마일)의 속도로 이동하는 고속 자기 부상(자기 부상) 열차입니다. 이러한 시스템에 필요한 자석은 희토류 금속을 사용합니다. 현재 6개 철도에서 고속, 저에너지 자기부상열차 서비스를 제공하고 있습니다.

Christian Petersen-Clausen/Moment Open/게티 이미지 플러스

작성자: 닉 오가사

2023년 5월 4일 오전 6시 30분

Frank Herbert의 Dune 시리즈의 첫 번째 볼륨은 1965년에 데뷔했습니다. 향신료 멜란지라는 귀중한 천연 물질을 채굴하는 것이 그 서사시적인 우주 이야기의 원동력이었습니다. 이 향신료는 사람들에게 우주의 광대한 공간을 탐색할 수 있는 능력을 부여했습니다. 그것은 또한 은하계 문명의 기초가 되었습니다. 물론 그것은 허구였습니다.

여기 지구 현실에서는 금속 원소 그룹이 우리 자신의 기술 중심 사회를 가능하게 만들었습니다. 희토류라고 불리는 이 17개 원소는 거의 모든 현대 전자 제품에 중요합니다. 그리고 이러한 금속에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

15개의 희토류가 대부분의 주기율표에서 전체 행을 구성합니다. 란타나이드라고 알려진 이 물질은 란타늄에서 루테튬(원자 번호 57~71번)까지 이어집니다. 희토류에는 스칸듐(원자 번호 21)과 이트륨(원자 번호 39)도 포함됩니다. 마지막 두 원소는 란탄족 원소와 동일한 광석 매장지에서 발생하는 경향이 있습니다. 그들은 또한 비슷한 화학적 성질을 가지고 있습니다.

희토류 세륨은 원유를 다양한 유용한 제품으로 가공하는 촉매 역할을 할 수 있습니다. 원자로는 가돌리늄이라는 또 다른 물질에 의존합니다. 이는 중성자를 포획하여 원자로 연료에 의한 에너지 생산을 제어합니다.

그러나 희토류의 가장 뛰어난 능력은 발광성과 자성입니다. 예를 들어, 우리는 희토류를 사용하여 스마트폰 화면을 색칠합니다. 그들은 유로 지폐가 진짜 거래라는 신호를 보내기 위해 형광을 발합니다. 그들은 해저를 따라 광섬유 케이블을 통해 신호를 중계합니다. 그들은 또한 세계에서 가장 강력하고 신뢰할 수 있는 자석을 만드는 데 도움을 줍니다. 이러한 금속은 헤드폰에서 음파를 생성하고 공간을 통해 디지털 데이터를 증폭시킵니다.

최근에는 희토류가 풍력, 전기 자동차 등 녹색 기술의 성장을 주도하고 있습니다. 양자 컴퓨터에 사용되는 새로운 부품이 탄생할 수도 있습니다.

이 금속에 대해 Stephen Boyd는 “그들은 어디에나 있습니다.”라고 말합니다. 그는 캘리포니아주 딕슨에 거주하는 합성 화학자이자 독립 컨설턴트입니다. 그는 희토류 사용에 관해 "목록은 계속해서 늘어나고 있습니다."라고 말합니다.

희토류는 가단성이 있는(변형되기 쉬운) 경향이 있습니다. 이들 금속은 또한 녹는점과 끓는점이 높습니다. 그러나 그들의 비밀스러운 힘은 전자에 있습니다.

모든 원자는 전자로 둘러싸인 핵을 가지고 있습니다. 그 작은 전자들은 궤도라고 불리는 영역에 거주합니다. 핵에서 가장 먼 궤도에 있는 전자를 원자가 전자라고 합니다. 그들은 화학 반응에 참여하고 원자를 서로 연결하는 결합을 형성합니다.

대부분의 란타넘족 원소는 또 다른 중요한 전자 세트를 가지고 있습니다. 이러한 "f-전자"는 골디락스 영역에 거주합니다. 원자가 전자 근처에 위치하지만 핵에 약간 더 가깝습니다. Ana de Bettencourt-Dias는 “희토류 원소의 자기적 특성과 발광 특성을 모두 담당하는 것은 이러한 f-전자입니다.”라고 말했습니다. 그녀는 리노 네바다 대학교의 무기 화학자입니다.

자극을 받으면 희토류 금속은 빛을 방출합니다. 비결은 f-전자를 간질이는 것이라고 de Bettencourt-Dias는 말합니다. 레이저 빔과 같은 에너지원은 희토류 원소의 f-전자 하나를 충격에 빠뜨릴 수 있습니다. 에너지는 전자를 들뜬 상태로 만듭니다. 나중에 시작 또는 접지 상태로 다시 떨어집니다. 그렇게 하면, 이 f-전자는 빛을 방출합니다.

17개 원소 그룹(주기율표에서 파란색으로 강조 표시)은 희토류로 알려져 있습니다. 란탄족 원소(루테튬, Lu와 란타늄으로 시작하는 행, La)로 알려진 이들 중 하위 집합이 단일 행에 나타납니다. 희토류 원소에는 금속에 자성과 발광 특성을 부여하는 전자 하위 껍질(f-전자라고 함)이 있습니다.