Metale dziwne, jak wskazuje na to sama ich nazwa, zachowują się w sposób nietypowy, nawet jak na standardy fizyki kwantowej. Do tej grupy zaliczany jest iterb – pierwiastek, który od ponad 100 lat fascynuje naukowców. Kolejne badania jego właściwości stawiają więcej pytań niż dostarczają odpowiedzi.
Co to jest iterb?
Iterb (ytterbium) to pierwiastek chemiczny z grupy lantanowców (pierwiastki o liczbach atomowych od 57 do 71, przypisane do 3 grupy układu okresowego i tworzące w 6 okresie dodatkową rodzinę). Charakteryzuje się liczbą atomową 70 i masą atomową 173,04.
Został odkryty w 1907 roku, niezależnie przez dwóch naukowców: francuskiego chemika Georges'a Urbaina i austriackiego chemika Carla Auera von Welsbacha. Obaj uczeni różnymi metodami rozdzielili wyizolowaną w 1878 roku iterbię (na iterb i lutet). Erb, terb, iterb i itr swoje nazwy zawdzięczają szwedzkiej miejscowości Ytterby. W skorupie ziemskiej występuje w ilości 3,3 ppm (jest najpowszechniejszym pierwiastkiem ze swojej grupy), a jego najważniejszy minerał to monacyt.
Właściwości iterbu
Mówiąc o iterbie, na myśli trzeba mieć miękki, kowalny metal o srebrzystym kolorze. Ulega utlenieniu w powietrzu (najgwałtowniej przy wysokim stopniu wilgotności), jest rozpuszczalny w kwasach i reaguje z wodą, tworząc wodorotlenek Yb(OH)3. W procesie spalania wytwarza tlenek iterbu Yb2O3. Temperatura topnienia iterbu to 819 st. Celsjusza, a temperatura wrzenia – 1194 st. Celsjusza.
Jakie zastosowanie ma iterb?
Iterb jest wykorzystywany w metalurgii jako dodatek do różnych stopów, poprawiający ich właściwości. Znajduje też zastosowanie w procesie produkcji ferrytów – niemetalicznych materiałów ceramicznych wykazujących ferromagnetyczne właściwości. Pierwiastek ten jest też używany jako źródło promieniowania gamma.
Iterb jest jednym z pierwiastków zaliczanych do tzw. metali dziwnych. Tym mianem określane są metaliczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe w temperaturze przejścia do stanu nadprzewodnictwa. Charakterystyczną cechą metali dziwnych jest ich niezwykła właściwość – ich oporność rośnie w sposób linearny wraz z temperaturą, bez związku z powierzchnią wystawioną na działanie temperatury.
Badania nad właściwościami iterbu
Dzięki swoim niezwykłym właściwościom, iterb fascynuje naukowców już od ponad 100 lat. Ostatnie badania dowodzą, że może mieć kolosalne znaczenie w pracach nad mapą naszej Galaktyki. Przez długi czas badacze byli przekonani, że iterb w połowie powstaje w ostatnich fazach życia gwiazd podobnych do Słońca, a w połowie w ciężkich gwiazdach o krótkim cyklu życia. To doprowadziło naukowców do wniosku, że pierwiastek był wyrzucany w przestrzeń w czasie wybuchów supernowych.
Ostatnie badania zespołu szwedzkich naukowców pozwalają jednak przypuszczać, że iterb powstaje jednak przede wszystkim podczas samego wybuchu. Takie wnioski wysnuli na podstawie analizy trzydziestu gwiazd podobnych do Słońca. Uczeni użyli czułego spektrometru, który wykrywa światło podczerwone z dużą rozdzielczością. Instrument połączyli z dwoma teleskopami (w Teksasie i Arizonie).
Co w praktyce oznacza to odkrycie? Promieniowanie podczerwone może pokonywać barierę tworzoną przez pył przysłaniający światło widzialne. Dzięki temu astronomowie zyskali możliwość dokładniejszego zbadania tych części Drogi Mlecznej, które wcześniej były zakryte. To z kolei pozwoli poznać i porównać historię ewolucji różnych części Galaktyki.
Ciekawe badania niedawno przeprowadził też Yashar Komijani z Uniwersytetu Cincinnati. Naukowiec wystawił stop iterbu na działanie promieni gamma, co jest o tyle nietypowe, że przecież to właśnie iterb jest używany do ich wytwarzania. Do eksperymentu użył stopu iterbu, aluminium i boru.
Celem doświadczenia było zaobserwowanie i określenie zmian reakcji metalu w zależności od temperatury i ciśnienia. W celu wytworzenia promieniowania, uczony przyspieszył protony w synchrotronie, a promienie, które powstały w konsekwencji zderzeń ze ścianami, wykorzystał do przeprowadzenia spektroskopii Mössbauera. Czyli procesu, dzięki któremu możliwe jest wykrycie nawet minimalnych zmian w obszarze środowiska chemicznego jąder atomów.
W momencie, w którym temperatury osiągnęły bardzo niski poziom, wraz ze wzrostem ciśnienia metal dziwny przeszedł w stan tzw. cieczy Fermiego. Badacz określił również szybkość fluktuacji ładunków elektrycznych. Te trwają nanosekundę. Niewiele? Nie w świecie fizyki kwantowej, gdzie miliardowa część sekundy jest równa wieczności.
Czy uzyskanie lepszego wglądu w dziwne metale zmieniło coś w zakresie ich użycia? Otóż, nie. Fizycy nadal nie wiedzą, do czego można użyć ich niezwykłych właściwości. Ale jednocześnie są przekonani, że w przyszłości będą stosowane powszechnie.
