Νεοδύμιο: η επικίνδυνη έλξη

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

Βίος και πολιτεία

Ετος 1992. Ο τότε πρόεδρος της Κίνας Deng Xiaoping καυχιόταν: «Η Μέση Ανατολή έχει πετρέλαιο, η Κίνα έχει τις «σπάνιες γαίες»». Περισσότερο και από το 90% των ορυκτών αυτών που συλλογικά ονομάζονται στη Χημεία Σπάνιες Γαίες βρίσκονται στο έδαφος της Κίνας. Περισσότερο από το μισό προέρχεται από ένα μόνον ορυχείο που βρίσκεται στην ονομαζόμενη Εσωτερική Μογγολία. Οι Σπάνιες Γαίες είναι δεκαέξι στοιχεία που ανήκουν στα μέταλλα, δεν είναι πια και τόσο σπάνια, εμφανίζονται συνήθως όλα μαζί σε διάφορα ορυκτά, γι’ αυτό παλαιότερα οι χημικοί είδαν κι έπαθαν να τα ξεχωρίσουν και να τα παίρνουν το καθένα χωριστά σε καθαρή μορφή και τώρα χρησιμοποιούνται μερικά από αυτά ως βασικοί δομικοί λίθοι των υλικών νέας τεχνολογίας. Από τα 16 αυτά στοιχεία λοιπόν πρωταγωνιστικό ρόλο στη δημιουργία εξαρτημάτων για νέα μηχανήματα παίζει το νεοδύμιο. Και ο πιο γνωστός τομέας είναι οι μαγνήτες. Από τους σκληρούς δίσκους των υπολογιστών ως τις ανεμογεννήτριες και τα υβριδικά αυτοκίνητα χρησιμοποιούνται μαγνήτες με βασικό συστατικό το νεοδύμιο. Τόσο που έχουν διατυπωθεί φόβοι πως κάποια στιγμή η Κίνα θα μπορούσε, προχωρώντας σε περιορισμούς εξαγωγών των μετάλλων από τις σπάνιες γαίες, να φέρει σε δύσκολη θέση εταιρείες κατασκευής και ολόκληρες χώρες αντίστοιχα, όπως είναι η Ιαπωνία και όπως συνέβη για λίγο το 2009.

Τώρα σειρά έχει η απάντηση στο ερώτημα: τι κάνει τους μαγνήτες από νεοδύμιο ξεχωριστούς; Οι συνηθισμένοι μαγνήτες έλκουν αντικείμενα από σίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο. Αυτά τα στοιχεία έχουν ένα ηλεκτρόνιο στην πιο εξωτερική τροχιά τους και αυτό που ονομάζουμε «περιστροφή γύρω από τον εαυτό του ή ιδιοπεριστροφή (spin)» επηρεάζεται από το μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη. Διευθετούνται αυτές οι περιστρεφόμενες τροχιές έτσι ώστε να έχουν τον ίδιο προσανατολισμό και η συλλογική αυτή σύμπνοια κάνει το αντικείμενο να έλκεται από τον μαγνήτη. Οι μαγνήτες νεοδυμίου είναι στην πραγματικότητα κράματα από νεοδύμιο, σίδηρο και βόριο (Nd2 Fe14 B). Αυτό το μόριο επιβάλλει μια διάταξη στο κρυσταλλικό πλέγμα του υλικού που ονομάζεται υψηλής Αξονικής Μαγνητοκρυσταλλικής Ανισοτροπίας και πιο απλά, αυτό σημαίνει ότι τα άτομα προσανατολίζονται ακόμη πιο αυθόρμητα και σε μεγαλύτερη πλειοψηφία προς μια κατεύθυνση χαρίζοντας ισχυρή ελκτική δύναμη σε ένα κομμάτι αυτού του κράματος. Τόση που αυτός ο μαγνήτης να γίνεται ως και επικίνδυνος.

Το στοιχείο αυτό ανακαλύφθηκε από τον Αυστριακό Carl Auer που αργότερα αναγορεύθηκε σε βαρόνο του Welsbach. Πηγαίνοντας στη Χαϊδελβέργη το 1880 για να συμπληρώσει τις σπουδές του συνάντησε τον διάσημο τότε χημικό Robert Bunsen που τον προέτρεψε να εξετάσει κάποια δείγματα που ο ίδιος ο Auer είχε καταφέρει να συγκεντρώσει. Ετσι, το 1885 ήταν σε θέση να ανακοινώσει ότι από ένα μείγμα στοιχείων που ανήκαν στις σπάνιες (τότε) γαίες κατάφερε να διακρίνει με τη μορφή των οξειδίων τους δυο πολύ δύσκολα στον διαχωρισμό τους στοιχεία που το ένα ονόμασε νεοδύμιο (από τις ελληνικές λέξεις νέος και δίδυμος) και το άλλο πρασεοδύμιο (από τις ελληνικές λέξεις πράσινος και δίδυμος).

Ατομικός αριθμός: 60

Ατομικό βάρος: 144.24

Σημείο τήξης: 1.021^οC

Σημείο ζέσης: 3.070^οC

Αριθμός ισοτόπων: 38

Υπάρχει στο σώμα μας και πιο πολύ στα κόκαλα παρά στα νεφρά και στο συκώτι. Αλλά δεν μας απασχολεί ιδιαίτερα. Δεν το απορροφούν εύκολα τα φυτά που τρώμε και έτσι περιορισμένες ποσότητες εισχωρούν καθημερινά στο σώμα μας. Πάντως από έρευνες που έγιναν στα όσα κυκλοφορούν στις αποχετεύσεις των σπιτιών έδειξαν ότι το νεοδύμιο βρισκόταν σε μικρότερη ποσότητα από τα άλλα στοιχεία των σπάνιων γαιών.

To 1982 η General Motors και η Sumitomo Special Metals ερευνώντας χωριστά και ψάχνοντας εναλλακτική λύση σε σχέση με τους ακριβούς μαγνήτες από σαμάριο-κοβάλτιο(SmCo), κατέληξαν στη δημιουργία ενός κράματος με τα χαρακτηριστικά Nd2Fe14B. Από τότε άρχισε η επικράτηση των μαγνητών με βασικό στοιχείο το νεοδύμιο. Και σήμερα έχουμε έναν ακήρυκτο πόλεμο όπου η Κίνα έχει γίνει ο βασικός παραγωγός τέτοιων μαγνητών και κρατάει στα χέρια της όλο το εμπόριο. Χρήσιμο είναι με την ευκαιρία να έχουμε μια ιδέα για την ειδική σήμανση που δίνει κωδικοποιημένα κάποια στοιχεία των μαγνητών αυτών. Βασικό στοιχείο είναι η αποθηκευμένη ενέργεια στον μαγνήτη και έχουμε διαβαθμίσεις από Ν35 ως και Ν52. Επίσης, παράλληλα, εμφανίζεται και μια άλλη σήμανση όπου ένας αριθμός είναι μπροστά και ακολουθούν ένας ή δύο χαρακτήρες. Από Μ που δηλώνει θερμοκρασία Curie 100 βαθμών Κελσίου ως ΕΗ που αντιστοιχεί σε 200 βαθμούς Κελσίου ενδιάμεσα εμφανίζονται οι σημάνσεις: Η, SH, UH. Η θερμοκρασία Curie μας δείχνει σε πόσους βαθμούς ο μαγνήτης παύει να έχει αυτόνομα μαγνητικές ιδιότητες και για να συνεχίσει να συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης απαιτείται κάποιο εξωτερικό πεδίο.

Τώρα πια τους βρίσκουμε σε αυτοματισμούς κλεισίματος παραθύρων και θυρών, αντλίες καυσίμων, ανεμογεννήτριες. Σε αυτές τις τελευταίες απαιτούνται πολύ δυνατοί μαγνήτες και υπολογίζεται πως χρειάζεται να έχουν μάζα από 700 κιλά ως 1 τόνο οι μαγνήτες για κάθε Μεγαβάτ που παράγουν!

Αλλη μια χαρακτηριστική χρήση έχει να κάνει με τον χρωματισμό του γυαλιού. Προσθέτοντας οξείδιο του νεοδυμίου (Nd2O3) σε λιωμένο γυαλί, παίρνουν χρωματισμούς από ανοιχτό ροζ ως λεβάντα. Επίσης γυαλί που υπάρχει μέσα νεοδύμιο χρησιμοποιείται στα τζάμια των θαλάμων μαυρίσματος (solarium) διότι κρατάει μακριά τις ακτίνες με μήκος κύματος στην περιοχή του υπερύθρου, εμποδίζοντας τη θερμότητα να μπει στον θάλαμο και επιτρέπει να περνούν οι χρήσιμες για το μαύρισμα υπεριώδεις ακτίνες.

Επίσης γυαλί με νεοδύμιο συναντούμε σε συσκευές Laser μεγάλης ισχύος. Χρησιμοποιούνται κρύσταλλοι από ύτριο, αλουμίνιο και γρανάτη (ένα πυριτικό κρυσταλλικό πέτρωμα). Αυτές οι Nd-YAG συσκευές είναι χρήσιμες στη χειρουργική των ματιών, τις εγχειρήσεις αισθητικής και την αντιμετώπιση των καρκίνων του δέρματος.

Είναι τόσο ισχυροί που όταν κρατάς δυο ίδιους με όγκο περίπου όσο ενός μεγάλου ζαριού μπορεί ο ένας να έλθει να κολλήσει τόσο δυνατά στον άλλον που αν παρεμβάλλεται δάχτυλο χεριού να τραυματιστεί άσχημα το νύχι (υπάρχουν σχετικά βίντεο στο YouTube). Ακόμη χειρότερα, αν κάποιο μικρό παιδί καταπιεί δύο ή περισσότερα τέτοια μαγνητάκια.

Οι μαγνήτες νεοδυμίου να μένουν (πολύ) μακριά από κάρτες, τηλεοπτικές ή υπολογιστικές συσκευές. Μακριά επίσης από μικρά παιδιά. Μακριά από βηματοδότες. Είναι αρκετά εύθραυστοι, περισσότερο από τους συνηθισμένους, χρειάζονται προσοχή, μακριά από φωτιά διότι παράγονται τοξικά αέρια. Οταν έχετε πολλούς «κολλημένους» μαζί τοποθετείτε τη στήλη στην άκρη ενός τραπεζιού με μόνο τον πρώτο να εξέχει και με εγκάρσια κίνηση του χεριού χωρίζετε τον μαγνήτη αυτόν από τους υπόλοιπους. Ολα αυτά φορώντας πάντα προστατευτικά γυαλιά διότι πετάγονται συχνά θραύσματα. Αναφέρονται περιστατικά όπου νεαρής ηλικίας άτομα, θέλοντας να στερεώσουν στο μάγουλό τους κάποια μεταλλικά αντικείμενα σκέφθηκαν να έχουν στο εσωτερικό του στόματός τους ένα μαγνητάκι από νεοδύμιο και κατέληξαν στο νοσοκομείο όπου οι γιατροί έπρεπε να κάνουν επέμβαση για να χωρίσουν τα δυο αντικείμενα.