يطلق عليها التنتالوم أو الهافنيوم أو البراسيوديميوم أو التيربيوم: هذه المعادن الغريبة ذات الأهمية الاستراتيجية المتزايدة ضرورية في مكونات هواتفنا مثل شاشة اللمس أو الميكروفونات أو الترانزستورات. ولكن لماذا هم حقا؟
تحتوي أجهزتنا الرقمية على كنوز. تعتمد الإلكترونيات المتقدمة بالفعل على مجموعة كاملة من المعادن التي تختلف تمامًا عن النحاس أو الألومنيوم أو الفولاذ الذي نواجهه في حياتنا اليومية. وهذا يثير العديد من الأسئلة البيئية والجيوسياسية.مناجم الكوبالتفي جمهورية الكونغو الديمقراطية إلى الإنتاج الصيني للعناصر الأرضية النادرة، بما في ذلك بكينيهدد بتقييد التصديرفي حربها التجارية مع الولايات المتحدة.
يلتزم مصنعو الهواتف الذكية الصمت بشأن المعادن النادرة المستخدمة في منتجاتهم. ما زلنا نحاول جمع معلومات حول استخدام هذه العناصر الغريبة في الأجهزة الإلكترونية اليومية.
ما هي "المعادن النادرة"؟
"المعادن النادرة" هو مصطلح شامل إلى حد ما يغطي معظم الذرات الموجودة في منتصف الجدول الدوري للعناصر. هذه عدة عشرات من المواد الأولية. بعض الأسماء مثلالكوبالتكلها زرقاء أو ثقيلة جدًاالتنغستن، مألوفة لنا نسبيًا. ولكننا نجد أيضًا أشياء أكثر إثارة للدهشة، مثلالغاليومهذا المعدن الذي يذوب في اليد بنفس درجة حرارة الشوكولاتة (30 درجة مئوية). ولنذكر من بين الأسماء الأخرى:التنتالوم، الالنيوبيوم، لالإنديوم، الالهافنيوم، أو حتىالبلاديوم.
أشهر المعادن النادرة هي مجموعة مكونة من 17 عنصرًا تسمى"الأتربة النادرة". تم اكتشافها لأول مرة من قبل الكيميائي السويدي كارل أكسل أرهينيوس في عام 1787 في صخرة في قرية يتربي، على جزيرة بالقرب من ستوكهولم. إنها تمثل مجموعة من المعادن ذات خصائص متشابهة تمامًا ويمكن استخدامها أحيانًا بالتبادل في السبائك.
هذا هوسكانديوم، التابعالإيتريوم(سميت على اسم قرية يتربي)، و 15 ذرة من عائلة “اللانثانيدات" : الاللانثين، الالشمع، الpraseodyme، النيوديمي، البروميثيوس، السماريوم، لاليوروبيوم، الالجادولينيوم، الالتيربيوم(من "يتربي" بإزالة حرفين)، الالديسبروسيوم، الالهولميوم، لالإربيوم("يتربي" بإزالة ثلاثة أحرف)، الثولي، لالإيتربيوم(هل لديك؟) واللوتيتيوم. ومن بينها، يبرز البروميثيوم لأنه مشع ونادر للغاية في حالته الطبيعية، إذ لا يتجاوز وزنه 500 جرام منتشرة في جميع أنحاء القشرة الأرضية؛ وبالتالي فإن استخداماته محدودة ومميزة للغاية.
وعلى عكس ما يوحي به اسمها، فإن العناصر الأرضية النادرة ليست "نادرة" على الأرض. الإيتريوم أكثر وفرة في القشرة الأرضية بـ 400 مرة من الفضة. لكنها متناثرة للغاية ولا تأتي في شكل خامات قابلة للاستغلال بسهولة. ويمكن استخراجها في مناجم النحاس أو الزنك أو اليورانيوم، لكن العملية مكلفة للغاية وملوثة للغاية. ولهذا السبب فإن الصين فقط هي الدولة الوحيدة الراغبة في البدء، مع احتكار ما يقرب من 100% لمعالجة العناصر الأرضية النادرة من خامات معادن أخرى.
أين نجدنا في هواتفنا الذكية؟
شاشات ومصابيح LED
كانت شاشات اللمس الأولىمقاوم، أي أنه كان عليك الضغط عليه فعليًا بإصبعك أو بقلم الرصاص. تحتوي هواتفنا الذكية الحديثة على شاشاتبالسعة، مع مجال إلكتروستاتيكي يتعرف على الاضطرابات الناجمة عن ملامسة الجلد البسيطة. لكي يعمل هذا، يجب أن تكون الشاشة مغلفة بطبقة رقيقة موصلة للكهرباء بينما تكون شفافة. هذا الفيلم مصنوع منأكسيد القصدير الإنديوم(مختصر "ITO")، الإنديوم يأتي من خام الزنك.
الصمام هومصنوعة بشكل تخطيطيعبارة عن شريحة شبه موصلة، مثبتة على إطار معدني ومغلفة بقطعة من البلاستيك الشفاف. عادة ما تكون مادة أشباه الموصلات للرقاقة عبارة عن مركب منالغاليوم(المستخرج من خام الألومنيوم) وذرة واحدة أخرى على الأقل، والتي ستحدد اللون "الأساسي" لمصابيح LED. معالزرنيخبالاشتراك مع الفوسفور، يتم الحصول على ضوء برتقالي-أحمر، بينما مع النيتروجين أوالإنديوم، يظهر مؤشر LED باللون الأزرق.
ولكن للحصول على ألوان جميلة حقًا باستخدام مصابيح LED، عليك طلاء الشريحة بمساحيق الفوسفور. وهناك ما هو أكثر من مجرد الفوسفور هناك. الألوان مصنوعة في الواقع من كوكتيلات مختلفةالأتربة النادرة. الأكثر شيوعاً،العقيق من الإيتريوم والألومنيوم("YAG") مخدرالشمع، يستخدم لصنع اللون الأصفر الذي يمكن على سبيل المثال إضافته إلى LED الأزرق (الإنديوم) لجعله أبيض.فوسفورات أخرىفيالإيتريومأو إلىاليوروبيومتسمح لك بعمل اللون الأحمر، في حين أناليوروبيومويمكن أيضا أن تستخدم للون الأزرق والتيربيومإلى اللون الأخضر. يمكننا أن نجد أيضااللانثينأنتالجادولينيوم.
الابن والاهتزازات
ما هو القاسم المشترك بين الميكروفون ومكبر الصوت واهتزازات الهاتف؟ كل هذه العناصربحاجة إلى مغناطيسلتعمل. إنهم هم الذين، بفضل قوة الجذب الخاصة بهم، ينتجون الاهتزازات التي يمكن أن تجعل الجهاز بأكمله يرتعش - أو تنتج تذبذبات دقيقة يمكن ترجمتها إلى صوت.
ولكن ليس هناك شك في استخدام نفس المغناطيس الموجود في ثلاجتك لهذا الغرض. نحن بحاجة إلى مغناطيسات صغيرة وقوية، وقبل كل شيء، مغناطيسات لا تضعف بمرور الوقت. الحل الأكثر إثباتًا في هذا المجال هو سبيكةنيوديميومنpraseodymeوتستخدم أيضًا في المحركات الكهربائية وتوربينات الرياح. يمكن أن يشمل هذا الخليط أيضًا القليلتيربيومأو منالديسبروسيوم. الالتنغستن، وهو ضعف ثقل الفولاذ، ويعمل بمثابة وزن لتضخيم الاهتزازات.
البطاريات
البطاريات الموجودة في كل مكان في أجهزتنا هي بطاريات الليثيوم أيون. هناك بالطبع بعضالليثيوموهو أخف معدن في العالم، ويستخرج بشكل خاص من أستراليا والصحاري المالحة في أمريكا الجنوبية. ولكنه يتطلب أيضًا بشكل عامالكوبالت، على شكلالكوبالت وثاني أكسيد الليثيوم(LiCoO2)، لتكوين كاثود البطارية.
دائرة متكاملة
الدائرة المتكاملة عبارة عن صفيحة من مادة شبه موصلة (عادةً السيليكون، وأحيانًا السيليكون).الجرمانيوم) على السطح الذي تتصل به الترانزستورات، تحتوي أيضًا مكونات صغيرة ثلاثية الأرجل على مادة شبه موصلة. وهذا ما يسمى أيضًا بالرقاقة. ولجعل السيليكون يوصل الكهرباء في أماكن معينة فقط، يجب أن يتم "مخدره" بإضافة شوائب: الفوسفور، البورون، الزرنيخ، الأنتيمون، ولكن أيضًاالإنديومأوالغاليوم. في الترانزستورات التي يجب أن تعمل بترددات عالية جدًا، مثل تلك المستخدمة لشبكة Wi-Fi أو Bluetooth أو 4G، يتم استبدال السيليكون بالسيليكون.زرنيور الغاليومأوالسيليكون والجرمانيوم.
ومع إطلاق الجيل 45 نانومتر في عام 2007، قامت شركة إنتلبدأ باستخداملالهافنيوملعزل بوابات الترانزستورات الخاصة به. هذه الأخيرة هيمترابطة على الدوائر المطبوعةمن خلال أفلامالتيتانيومومنالتنغستن. تصغير الشريحةمن شأنه أن يدفع الشركات المصنعة لأشباه الموصلاتلاستبدال النحاس، الذي أصبح أقل عملية على المقياس النانومتري، بـالكوبالتأوالروثينيوم.
الدائرة المطبوعة
الدوائر المطبوعة عبارة عن ألواح من راتنجات الإيبوكسي، غالبًا ما تكون خضراء اللون، ويتم لحام المكونات عليها باستخدام مسارات نحاسية. ل'أووفضيلا يتم تصنيفها دائمًا على أنها "معادن نادرة"، ولكننا اخترنا ذكرها نظرًا لأهميتها في مجال الإلكترونيات. موصل كهربائي ممتاز،أوولذلك فهي موجودة في الدوائر المطبوعة، ولا سيما التي تشكل الأسلاك التي تربط بين السيليكون ودبابيس المكونات المختلفة. ل'فضيفهو حاضر في أغلب المقاومات. ونجد أيضا في الدوائر المطبوعةكميات صغيرة جداًلالبلاديوموهو معدن من عائلة البلاتين.
وأخيرًا، أحد المكونات المتكررة التي نلحمها في الدوائر المطبوعة هو المكثف، وهو خزان صغير للطاقة الكهربائية. تستخدم المكثفات القياسية الألومنيوم، ولكنها كبيرة جدًا بحيث لا يمكن وضعها في هاتف ذكي. لصنع قطع صغيرة جدًا، نستخدمالتنتالوم.
وبالتالي فإن كل هذه المعادن ذات الأسماء الغريبة تعتبر حيوية لهواتفنا الذكية. ولكنها أيضًا ذات صلة بالعديد من التطبيقات المتطورة في الكيمياء والطب، بالإضافة إلى معظم الطاقات النظيفة. ومن العار أن نعرف أن هذه الموارد "مبيعات» للاستغلال، بيئيا وسياسيا. ومن هنا فإن حصتهم ستزداد بلا شك في المستقبل.
نراكم كل يوم أربعاء على Twitch، من الساعة 5 مساءً حتى الساعة 7 مساءً، للمتابعة المباشرةالعرض SURVOLTÉSمن إنتاج فراندرويد. سيارة كهربائية، دراجة كهربائية، نصيحة الخبراء، ألعاب أو شهادات، هناك شيء للجميع!
