Νιόβιο: μαγνήτες και σκουλαρίκια

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο νιόβιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ταξιδεύει και σε μια άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Το νιόβιο είναι ένα μεταλλικό στοιχείο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή κραμάτων κατάλληλων για μαγνήτες υψηλής ποιότητας. Και οι μαγνήτες υψηλής ποιότητας βρίσκονται σε εγκαταστάσεις όπως αυτή του επιταχυντή πρωτονίων στο CERN ή στο Πανεπιστήμιο της Φλόριδας, όπου βρίσκεται ο ισχυρότερος μαγνήτης του κόσμου.

Τα ηλεκτρικά φορτία που με την κίνησή τους δημιουργούν ό,τι ονομάζουμε ηλεκτρικό ρεύμα κινούνται σε τροχιές όχι χωρίς τριβές και εμπόδια. Αυτό εκδηλώνεται με τη μορφή θερμότητας των αγωγών ή των μέσων από όπου περνούν. Οσο κατεβαίνει η θερμοκρασία τα εμπόδια και η αντίστοιχη υπερθέρμανση μειώνονται. Μπορούμε να φθάσουμε σε καταστάσεις που ονομάζονται υπεραγώγιμες, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται χωρίς σχεδόν τριβές και απώλειες. Υπεραγωγιμότητα είναι ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς θερμότητα. Πώς μπορεί να κατεβεί η θερμοκρασία; Να βρεθεί ο αγωγός μέσα σε ένα «λουτρό» πολύ ψυχρού υγρού όπως είναι το υγρό άζωτο ή κυρίως το υγρό ήλιον. Το ότι είναι υγρά δεν πειράζει και δεν δημιουργεί βραχυκύκλωμα διότι οι αγωγοί αποτελούνται από χιλιάδες λεπτά νήματα με διάμετρο μικρότερη του χιλιοστού και οι αγωγοί αυτοί είναι και μονωμένοι. Σε αυτό όμως το υπερ-ψυχρό περιβάλλον, αν υπάρξει γύρω από τον αγωγό ένα μαγνητικό πεδίο, αυτό δεν μπορεί να εισχωρήσει στο εσωτερικό διότι δημιουργούνται στην επιφάνεια του αγωγού αντιτιθέμενα ρεύματα που με το δικό τους μαγνητικό πεδίο εξουδετερώνουν το εξωτερικό. Στον επιταχυντή του CERN χρησιμοποιούνται αγωγοί με συνολικό μήκος μεγαλύτερο από ένα δισεκατομμύριο χιλιόμετρα και πάχος περίπου 10 φορές λεπτότερο από μια ανθρώπινη τρίχα, που πλέκονται φυσικά σε ογκώδεις «κοτσίδες» με υλικό κατασκευής τους ένα κράμα νιοβίου – τιτανίου και με συνολική μάζα 1.200 τόνους. Σε πλήρη λειτουργία του επιταχυντή περνάει μέσα από τους αγωγούς αυτούς ρεύμα με ένταση 12.800 Αμπέρ, όταν από τη λάμπα μας περνάει ρεύμα 0,3 Αμπέρ. Αυτά τα ρεύματα και οι σπείρες δημιουργούν μαγνητικά πεδία με ένταση 8 Tesla σε μαγνήτες τοποθετημένους διαδοχικά και κυκλικά και ο ρόλος τους είναι να στρίβουν τη δέσμη πρωτονίων μέσα στο τούνελ του επιταχυντή ώστε να ακολουθεί κυκλική τροχιά.

Το νιόβιο ανακάλυψε ο άγγλος χημικός Hatchett το 1801 στο Λονδίνο. Εξετάζοντας κάποια δείγματα ορυκτών στο Βρετανικό Μουσείο, σταλμένο από τις Ηνωμένες Πολιτείες βρισκόταν και ένα κομμάτι από σκούρο και βαρύ για το μέγεθός του υλικό που είχε μείνει εκεί επί 70 χρόνια με την επιγραφή «κολουμβίτης» και τράβηξε την προσοχή του. Το όνομα δεν ήταν περίεργο διότι είχε βρεθεί στην Αμερική και τιμώντας τον Χριστόφορο Κολόμβο του είχαν δώσει αυτό το όνομα. Το θέρμανε με ανθρακικό κάλιο, το πέρασε από νερό παίρνοντας ένα ίζημα που με την προσθήκη οξέος έδωσε ένα οξείδιο, δηλαδή ένωση μετάλλου με οξυγόνο. Το μεταλλικό τμήμα το ονόμασε κολούμβιο. Για χρόνια όμως υπήρχε η αμφιβολία αν επρόκειτο για δύο στοιχεία, το ταντάλιο που εν τω μεταξύ είχε ανακαλυφθεί ξεχωριστά, ή για ένα απλό στοιχείο. Μόλις το 1844 ο Γερμανός Heinrich Rose επιβεβαίωσε ότι ο κολουμβίτης περιείχε και ταντάλιο, που είχε ήδη επιβεβαιωθεί η ύπαρξή του, και ένα ακόμη νέο στοιχείο. Οντας γνώστης κάποιων στοιχείων της ελληνικής μυθολογίας λοιπόν ονόμασε, πολύ λογικά, το στοιχείο αυτό νιόβιο αφού είχε τόσο στενή σχέση με το ταντάλιο. Το 1950 η International Union for Pure and Applied Chemistry (IUPAC) έκανε οριστικά αποδεκτό το όνομα, αν και μερικοί στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιούν ακόμη μερικές φορές την ονομασία κολούμβιο.

Αριθμοί κυκλοφορίας

Ατομικός αριθμός: 41

Ατομικό βάρος: 92.90638

Σημείο τήξης: 2.468^οC

Σημείο ζέσης: 4.742^οC

Αριθμός ισοτόπων: 35

Μόνο το νιόβιο-93 είναι φυσικό ισότοπο, ενώ τα υπόλοιπα είναι ραδιενεργά. Μεταξύ αυτών και το νιόβιο-92 με χρόνο ημιζωής 34,7 εκατομμύρια χρόνια.

Δεν θεωρείται τοξικό για τον άνθρωπο, πάντως οι Ρώσοι δεν επιτρέπουν στο νερό να υπάρχει σε αναλογία μεγαλύτερη από 10 μέρη στο δισεκατομμύριο (10 ppb).

Κράματα του νιοβίου με διάφορα μέταλλα χρησιμοποιούνται στους βηματοδότες. Επίσης έπειτα από επίδραση υδροξειδίου του νατρίου δημιουργείται σε αυτά μια πορώδης επιφάνεια που παρουσιάζει μια ευπρόσδεκτη συνάφεια με αυτήν των οστών και δίνει αφορμή για τη χρήση εμφυτευμάτων από τους χειρουργούς.

Κράματα νιοβίου με τιτάνιο χρησιμοποιούνται στους μαγνήτες, που είναι το βασικό στοιχείο στα μηχανήματα για τις μαγνητικές τομογραφίες. Εκεί χρειάζονται ισχυρά μαγνητικά πεδία, άρα ισχυρά ρεύματα, που όμως στις συνηθισμένες θερμοκρασίες περιβάλλοντος συναντούν σημαντικές (ηλεκτρικές) αντιστάσεις. Αρα πρέπει να κατεβαίνουμε πολύ χαμηλά, κάτω από τους -250 βαθμούς Κελσίου, που εκεί έχουμε για ορισμένα κράματα υπεραγωγιμότητα και τα μαγνητικά πεδία δεν επηρεάζουν την έλλειψη αντίστασης στην κυκλοφορία του ρεύματος.

Μην ξεχνάμε ότι στη διαγνωστική μέθοδο με MRI χρησιμοποιούν υγρό ήλιο που έχει θερμοκρασία -269 βαθμών Κελσίου, δηλαδή πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί).

Νιόβιο βρίσκουμε σε μικρές ποσότητες να είναι αναμεμειγμένο στον χάλυβα για να βελτιώνει τις ιδιότητές του, κυρίως αν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε συγκολλήσεις. Αλλωστε και τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούν οι σιδηρουργοί περιέχουν νιόβιο. Επίσης χρησιμοποιούνται κράματα νιοβίου στις εξαγωγές για τα αέρια των πυραυλικών συστημάτων διότι ακόμη και σε θερμοκρασίες όπου φθάνουν να πυρακτώνονται δεν παρουσιάζουν σημάδια οξείδωσης.

Σε μερικούς ανθρώπους το νιόβιο, χωρίς να είναι εμφύτευμα, είναι πολύ κοντά τους. Αρκεί να έχουν επάνω τους ένα κόσμημα, σκουλαρίκι ή άλλο στολίδι που να απαιτεί τρύπημα του δέρματος και του υποδόριου ιστού. Εκεί είναι καλό να χρησιμοποιείται νιόβιο διότι δεν δημιουργεί αλλεργίες.

Αντιδρά με τα οξέα μόνο όταν είναι πυκνά και σε υψηλές θερμοκρασίες. Γενικά η ζήτησή του παρουσιάζεται αυξημένη τα τελευταία χρόνια. Βασικός παραγωγός με 210.000 τόνους περίπου είναι η Βραζιλία και ακολουθεί ο Καναδάς με μόλις 10.000 τόνους. Τα κράματά του χρησιμοποιούνται και στην αεροναυπηγική αλλά και από καλλιτέχνες. Διότι είναι πολύ πιο εύπλαστο και τείνει να αντικαταστήσει το ακριβότερο και ελαφρύτερο τιτάνιο. Μια γνωστή καλλιτέχνις κοσμημάτων είναι η Anne Marie Shillito, που λέει ότι προτιμά το νιόβιο διότι μεταξύ άλλων έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από το τιτάνιο και τα κοσμήματά της έχουν βάρος, αλλά και διότι ρυθμίζοντας την τάση στη διαδικασία της ανοδίωσης, δηλαδή της εναπόθεσης με τη βοήθεια του ηλεκτρισμού τόμων ενός μετάλλου επάνω σε ένα άλλο, μπορεί να επιτυγχάνει πλήθος διαφορετικών χρωμάτων.

Νιόβιο με δύο άτομα σεληνίου δίνει ένα λιπαντικό υλικό που αντέχει ως 1.300 βαθμούς Κελσίου.

Για να μην μπερδευόμαστε λοιπόν αναφέρουμε πως το όνομα Νιόβη αναφέρεται σε δύο ηρωίδες της μυθολογίας. Μια Νιόβη ήταν η πρώτη θνητή, «κόρη του πρώτου ανθρώπου», και με αυτήν αναφέρεται ότι ενώθηκε ο Δίας. Εδώ όμως, με τα στοιχεία, επειδή υπάρχει η αναφορά και στο ταντάλιο, πρόκειται για τη Νιόβη, κόρη του Ταντάλου. Απέκτησε επτά γιους και επτά κόρες από τον γάμο της με τον Αμφίωνα και υπερηφανεύτηκε πως ήταν ανώτερη από τη Λητώ που είχε μόνο τον Απόλλωνα και την Αρτεμη. Ετσι η Λητώ προέτρεψε τα παιδιά της να σκοτώσουν και τα 14 τέκνα της Νιόβης, κάτι που δεν δίστασαν να κάνουν.

Βρίσκεται στο Mag Lab, τέσσερα χιλιόμετρα μακριά από το Πανεπιστήμιο της Φλόριδας. Πρόκειται για δύο ηλεκτρομαγνήτες, δηλαδή το πεδίο δημιουργείται εξαιτίας της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος, τοποθετημένους ο ένας μέσα στον άλλον. Ο εξωτερικός λειτουργεί με υπεραγωγιμότητα και φθάνει στα 11 Tesla ένταση πεδίου (το 1 Tesla είναι 20.000 φορές δυνατότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης). Ο εσωτερικός λειτουργεί σε κανονικές θερμοκρασίες και φθάνει στα 35 Tesla. Στο σύνολο παίρνουμε περίπου 46 Tesla, ενώ ο λογαριασμός του ηλεκτρικού φθάνει τα 6 εκατ. δολάρια τον χρόνο.