希土類元素が現代技術を可能にする仕組み

フランク・ハーバートのスペースオペラ『デューンズ』では、「スパイスミックス」と呼ばれる貴重な天然物質が、人々に広大な宇宙を航行し、恒星間文明を築く能力を与えます。現実の地球上では、希土類元素と呼ばれる天然金属群が現代の技術を可能にしています。ほぼすべての現代の電子機器に用いられるこれらの主要部品の需要は急増しています。

希土類元素何千もの異なるニーズを満たすことができます。例えば、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顕著な能力は、その発光と磁性にあります。

スマートフォンの画面に色を塗ったり、蛍光を利用してユーロ紙幣の真贋を証明したり、光ファイバーケーブルで海底で信号を伝送したりするために、私たちは希土類元素に頼っています。また、世界で最も強力で信頼性の高い磁石の製造にも希土類元素は欠かせません。ヘッドフォンの音波を発生させたり、宇宙でデジタル情報を強化したり、熱探知ミサイルの軌道を変えたりするのに希土類元素は使われています。希土類元素は風力発電や電気自動車といったグリーンテクノロジーの開発を促進し、量子コンピューターの新しい部品を生み出す可能性さえあります。合成化学者で独立コンサルタントのスティーブン・ボイド氏は、「このリストは終わりがありません。希土類元素はどこにでもあります」と述べています。

希土類元素とは、ランタンとルテチウムを含む14元素を指します。イットリウムランタノイドは、しばしば同じ鉱床に存在し、ランタノイドに似た化学的性質を持つ。灰色から銀色のこれらの金属は、一般的に可塑性と高い融点および沸点を有する。その強さの秘密は電子にある。すべての原子は原子核を持ち、その周囲を電子が取り囲み、電子は軌道と呼ばれる領域に存在する。原子核から最も遠い軌道にある電子は価電子であり、化学反応に関与し、他の原子と結合を形成する。

ほとんどのランタノイド元素は、「f電子」と呼ばれるもう一つの重要な電子群を持っています。これは価電子に近いものの、原子核にわずかに近づいた黄金比の領域に存在します。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、「希土類元素の磁性と発光特性は、このf電子によって生み出されるのです」と述べています。

希土類元素は17個の元素（周期表では青色で表示）からなるグループです。希土類元素のサブセットはランタノイドと呼ばれます。 （ルテチウム、Lu、およびランタン、La）。各元素には殻があり、通常は f 電子が含まれており、これによりこれらの元素は磁性と発光特性を持ちます。