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May 03, 2023

レアアース元素がどのように現代技術を可能にするのか

La Cina ha completato la costruzione di un treno magnetico a levitazione magnetica in agosto

中国は8月、希土類合金で作られた磁石を使用し、電力を消費せずに車両を浮上させるリニアモーターカーの建設を完了した。

新華社/アラミー ストックフォト

ニック・オガサ著

2023 年 1 月 16 日午前 8 時

フランク・ハーバートのスペースオペラ『デューン』では、スパイスメランジと呼ばれる貴重な天然物質により、人々は広大な宇宙を航行して銀河間文明を構築する能力を得ることができます。

ここ地球上の実生活では、レアアースとして知られる天然金属のグループが、テクノロジーを活用した独自の社会を可能にしました。 ほぼすべての現代の電子機器におけるこれらの重要なコンポーネントの需要は急増しています。

レアアースは何千もの異なるニーズを満たします。たとえば、セリウムは石油精製の触媒として使用され、ガドリニウムは原子炉内で中性子を捕捉します。 しかし、これらの元素の最も優れた能力は、その発光と磁気にあります。

私たちはスマートフォンの画面を着色したり、ユーロ紙幣の真正性を示すために蛍光を発したり、海底を横切る光ファイバーケーブルを介して信号を中継したりするためにレアアースに依存しています。 これらは、世界で最も強力で信頼性の高い磁石を構築するためにも不可欠です。 これらはヘッドフォンで音波を生成し、空間を介してデジタル情報を増幅し、熱追尾ミサイルの軌道を変更します。 レアアースはまた、風力エネルギーや電気自動車などのグリーンテクノロジーの成長も推進しており、量子コンピューターの新しいコンポーネントを生み出す可能性もあります。

「リストは数え切れないほどあります」と合成化学者で独立コンサルタントのスティーブン・ボイドは言う。 「彼らはどこにでもいます。」

レアアースとは、ランタニド（ルテチウムと、周期表の 1 行にあるランタンとイッテルビウムの間の 14 個の元素すべて）にスカンジウムとイットリウムを加えたもので、これらは同じ鉱​​床で発生する傾向があり、ランタニドと同様の化学的性質を持っています。 これらの灰色から銀色の金属は、多くの場合、融点と沸点が高く展性があります。

彼らの秘密の力は電子にあります。 すべての原子には電子に囲まれた原子核があり、電子は軌道と呼ばれる領域に存在します。 原子核から最も遠い軌道にある電子は価電子であり、化学反応に参加し、他の原子と結合を形成します。

ほとんどのランタニドは、「f 電子」と呼ばれる別の重要な電子セットを持っています。この電子は、価電子の近くで原子核にわずかに近いゴルディロックス ゾーンに存在します。 「希土類元素の磁気特性と発光特性の両方を担うのはこれらの f 電子です」とネバダ大学リノ校の無機化学者アナ・デ・ベッテンコート・ディアス氏は言う。

レアアースは 17 個の元素のグループです (周期表では青で強調表示されています)。 ランタニド (ルテチウム、Lu、およびランタン、La で始まる列) として知られる希土類のサブセットには、通常、元素に磁気特性と発光特性を与える f 電子を収容するサブシェルが含まれています。

一部の海岸では、生物発光プランクトンが波に揺れる中、夜の海が時折青緑色に輝きます。 希土類金属も刺激を受けると光を放射します。 コツは、彼らの f 電子をくすぐることだ、とド・ベッテンコート・ディアス氏は言う。

科学者や技術者は、レーザーやランプなどのエネルギー源を使用して、レアアースの f 電子の 1 つを励起状態に励起し、その後、無力状態または基底状態に戻すことができます。 「ランタニドが基底状態に戻ると、光を発します」と彼女は言う。

それぞれのレアアースは、励起されると正確な波長の光を確実に放射します、とド・ベッテンコート・ディアス氏は言います。 この信頼性の高い精度により、エンジニアは多くの電子機器の電磁放射を注意深く調整することができます。 たとえば、テルビウムは約 545 ナノメートルの波長で光を放出するため、テレビ、コンピュータ、スマートフォンの画面に緑色の蛍光体を構成するのに適しています。 ユウロピウムには 2 つの一般的な形式があり、赤色と青色の蛍光体の製造に使用されます。 これらの蛍光体をすべて組み合わせると、画面を虹のほとんどの色合いで描くことができます。

レアアースは有用な不可視光も放射します。 イットリウムは、多くの高出力レーザーの中核を形成する合成結晶であるイットリウム・アルミニウム・ガーネット (YAG) の主要成分です。 エンジニアは、YAG 結晶と別の希土類を組み合わせることで、これらのレーザーの波長を調整します。 最も人気のある種類はネオジムを配合した YAG レーザーで、鋼のスライスからタトゥーの除去、レーザー距離測定まであらゆる用途に使用されます。 エルビウム-YAG レーザー光線は、体内の水分に容易に吸収され、あまり深く切らないため、低侵襲手術に適した選択肢です。

レーザー以外にも、ランタンは暗視ゴーグルの赤外線吸収ガラスの製造に不可欠です。 「そしてエルビウムがインターネットを動かしているのです」とシカゴ大学の分子工学者ティアン・ゾン氏は言う。 私たちのデジタル情報の多くは、エルビウムが発するのと同じ波長である約 1,550 ナノメートルの波長の光として光ファイバーを通過します。 光ファイバーケーブル内の信号は、信号源から遠くに伝わるにつれて暗くなります。 これらのケーブルは海底を何千キロメートルも伸びることができるため、信号を増強するためにファイバーにエルビウムが添加されています。

1945 年、科学者たちは世界初のプログラム可能な汎用デジタル コンピューターである ENIAC を構築しました (SN: 2/23/46、p. 118)。 「巨大な頭脳」と呼ばれる ENIAC は、象 4 頭以上の重さがあり、設置面積はテニス コートの約 3 分の 2 でした。

それから 80 年も経たないうちに、これまでの ENIAC よりもはるかに優れたコンピューティング能力を誇るユビキタス スマートフォンは、私たちの手のひらにぴったりと収まるようになりました。 社会がこの電子技術の小型化を実現できたのは、主にレアアースの優れた磁力のおかげです。 小さな希土類磁石は、希土類を使用せずに作られた大きな磁石と同じ役割を果たすことができます。

それはf電子が働いているのです。 レアアースには多くの電子軌道がありますが、f 電子は 4f サブシェルと呼ばれる 7 つの軌道からなる特定のグループに存在します。 どのようなサブシェルでも、電子は内部の軌道の間で拡散しようとします。 各軌道には最大 2 つの電子を収容できます。 しかし、4f サブシェルには 7 つの軌道が含まれており、ほとんどのレアアースには 14 個未満の f 電子が含まれているため、元素は 1 つの電子だけで複数の軌道を持つ傾向があります。 たとえば、ネオジム原子はこれらの孤立原子を 4 つ持ちますが、ジスプロシウムとサマリウムは 5 つ持ちます。 重要なのは、これらの不対電子は同じ方向を指す、つまり回転する傾向がある、とボイド氏は言う。 「それが、私たちが古典的に磁気として理解している北極と南極を生み出すものです。」

これらの孤立したf電子は価電子の殻の後ろで飛び交うため、その同期スピンは熱やその他の磁場などの減磁力からある程度遮蔽され、永久磁石の構築に最適であるとZhong氏は言う。 冷蔵庫のドアに写真を留めているような永久磁石は、電流が必要でオフにすることができる電磁石とは異なり、原子構造から生じる磁場を受動的に生成します。

レアアースはスマートフォンやその他のテクノロジーを可能にしますが、大きな課題をもたらします。 このシリーズの続きを読む:

しかし、たとえシールドがあったとしても、レアアースには限界があります。 たとえば、純粋なネオジムはすぐに腐食して破損し、摂氏 80 度を超えると磁力の強度が低下し始めます。 そのためメーカーは、より弾力性のある磁石を作るために、一部のレアアースと他の金属を合金化している、とアイオワ州エイムズ国立研究所の理論物理学者ドゥルガ・パウディアル氏は言う。 一部のレアアースは他の金属の磁場を調整できるため、これはうまく機能すると彼は言います。 重みのあるサイコロが優先的に片側に着地するのと同じように、ネオジムやサマリウムなどの一部のレアアースは、4f サブシェルに不均一に満たされた軌道が含まれているため、特定の方向に強い磁性を示します。 磁気異方性と呼ばれるこの方向性を利用して、鉄やコバルトなどの他の金属の磁場を調整し、堅牢で非常に強力な磁石を形成することができます。

最も強力な希土類合金磁石は、ネオジム-鉄-ボロン磁石です。 たとえば、3 キログラムのネオジム合金磁石は、300 キログラムを超える重量の物体を持ち上げることができます。 世界の永久磁石の 95 パーセント以上はこの希土類合金から作られています。 ネオジム・鉄・ボロン磁石は、スマートフォンで振動を発生させ、イヤホンやヘッドフォンで音を出し、ハードディスクドライブでのデータの読み書きを可能にし、MRI 装置で使用される磁場を生成します。 また、これらの磁石に少量のジスプロシウムを添加すると、合金の耐熱性が向上するため、多くの電気自動車モーターの高温の内部で回転するローターに適しています。

1960 年代に開発されたサマリウム コバルト磁石は、最初に普及した希土類磁石です。 サマリウムコバルト磁石はネオジム鉄ボロン磁石より若干弱いものの、耐熱性や耐食性に優れているため、自動車や飛行機の高速モーター、発電機、速度センサー、自動車の可動部などに使用されています。いくつかの熱追尾ミサイル。 サマリウムコバルト磁石は、レーダーシステムや通信衛星からの信号を増強するほとんどの進行波管の中心も形成しています。 これらの管の一部は、230 億キロメートル以上離れたボイジャー 1 号宇宙船 (現在最も遠い人工物体) からデータを送信しています (SN: 2021 年 7 月 31 日、p. 18)。

希土類磁石は強力で信頼性が高いため、グリーンテクノロジーをサポートしています。 これらは、電気自動車のモーター、ドライブトレイン、パワーステアリング、その他多くのコンポーネントに組み込まれています。 テスラが最も長距離を走行できるモデル 3 車両にネオジム合金磁石を使用していることは、サプライチェーンへの懸念を引き起こしている。 中国は世界のネオジムの大部分を供給しています (SN: 1/11/23)。

希土類磁石は、ギアボックスの代わりに多くの洋上風力タービンでも使用されており、効率が向上し、メンテナンスが軽減されます。 8月、中国の技術者らは、電気を消費せずに列車を浮上させることができる希土類磁石をベースにした世界初のリニアモーターカー鉄道路線「レインボー」を導入した。

将来的には、レアアースによって量子コンピューティングが進歩する可能性もあります。 従来のコンピューターは 2 進ビット (1 と 0) を使用しますが、量子コンピューターは 2 つの状態を同時に占有することができる量子ビットを使用します。 結局のところ、シールドされた f 電子は量子情報を長期間保存できるため、レアアースを含む結晶は優れた量子ビットを作ることができる、と Zhong 氏は言う。 いつの日か、コンピュータ科学者が量子ビット内のレアアースの発光特性を利用して、量子コンピュータ間で情報を共有し、量子インターネットが誕生するかもしれない、と同氏は言う。

レアアース金属がこれらの成長技術の拡大にどのような影響を与え続けるかを正確に予測するのは時期尚早かもしれません。 しかし、おそらく間違いなく言えるのは、「今後さらにレアアースが必要になるだろう」ということである。

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この記事のバージョンは、Science News の 2023 年 1 月 14 日号に掲載されます。

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Nikk Ogasa は、Science News で物理科学を専門に扱うスタッフ ライターです。 マギル大学で地質学の修士号を取得し、カリフォルニア大学サンタクルーズ校で科学コミュニケーションの修士号を取得しています。

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