Возможность эффективного промышленного применения редких земель зависит от научных изысканий в этой области. Надежные данные о свойствах РЗМ и их изменениях при фазовых превращениях могут пригодиться в оптимизации высокотехнологичных процессов.
Редкоземельные элементы — металлы серебристо-белого цвета, некоторые с желтоватым оттенком, обладающие сходными химическими свойствами (наиболее характерна степень окисления +3). В природе, как правило, они встречаются в рассеянном виде и в форме оксидов, что осложняет их добычу в промышленных масштабах — отсюда и термин «редкоземельные». В группу РЗЭ входят 15 лантаноидов (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций), а также иттрий и скандий. Физико-химические свойства этих элементов имеют противоречивые характеристики, поскольку изучены недостаточно.
Сотрудники лаборатории термодинамики веществ и материалов ИТ СО РАН — кандидат физико-математических наук Игорь Васильевич Савченко, аспирант Дмитрий Андреевич Самошкин и студент физического факультета НГУ Андрей Рашидович Хайрулин — получили грант Российского научного фонда на исследование тепло- и температуропроводности расплавов четырех легких РЗМ: лантана, церия, неодима и самария. Проект рассчитан на два года, к настоящему моменту пройдена уже половина пути. По словам ученых, за год удалось провести почти все измерения, впереди — довольно длительный и трудоемкий процесс обработки результатов.
«Отслеживать изменение свойств металлов в зависимости от фазовых превращений (перехода из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий, например из твердого вещества в расплав) — очень интересная задача с точки зрения физики и химии, — комментирует Игорь Савченко. — Фазовый переход в жидком самарии, связанный с изменением концентрации электронов проводимости, сам по себе является уникальным явлением, не наблюдающимся в других металлических расплавах».
По словам ученых, данные по тепло- и температуропроводности легких РЗМ, которые были получены раньше другими исследователями, плохо согласуются между собой. Разброс в измерениях температурных коэффициентов теплопроводности достигает 400 %! Это связано со сложностью высокотемпературного эксперимента и специфическими свойствами РЗМ — химической агрессивностью (в жидком состоянии они взаимодействуют практически со всеми материалами, интенсивное окисление многих из них происходит уже при комнатной температуре), а также высоким давлением паров.
«Последовательное экспериментальное изучение лантаноидов позволит нам понять, как локализованные электроны внутренней оболочки атомов влияют на макроскопические характеристики РЗМ, а конкретно — на теплопроводность, — рассказывает Игорь Савченко. — Это ключ к решению важнейшей задачи по определению связи электронного строения вещества с его структурой и физическими свойствами в конденсированном состоянии».
В распоряжении ученых — дорогостоящая установка LFA-427 немецкой фирмы NETZSCH. По своим параметрам — точности измерений (2—5 %) и диапазону температур (от 20 °C до 2000 °C) — она является одной из лучших в мире. Поскольку аппаратура такого класса предназначена в основном для измерений твердых веществ, сотрудники лаборатории адаптировали стенд для работы с расплавами и пластичными материалами: разработали конструкции измерительных ячеек и держателей, создали алгоритмы и программы математической обработки данных. В установке реализован метод лазерной вспышки (или флэш-метод). Его главные преимущества — универсальность, бесконтактность и малое время проведения единичного измерения (порядка секунды).
В чем заключается процесс? Металл, находящийся в специальном контейнере, предотвращающем его окисление, помещается в химический бокс с инертной атмосферой. В боксе металл извлекается из контейнера и помещается внутрь танталовой ячейки для опытов, где герметизируется дуговой сваркой. После этого заваренная ячейка с металлом помещается в печь установки LFA, внутри которой и происходят высокотемпературные измерения. Наконец, с помощью пакета программ, разработанного в лаборатории термодинамики веществ и материалов, производится вычисление исследуемых коэффициентов переноса тепла. Хотя единичное измерение занимает меньше секунды, для определения температурной зависимости теплопроводности требуется гораздо больше времени.
Источник: Юлия Клюшникова / Наука в Сибири
«Можно сказать, что эксперименты, проводимые в стенах нашей лаборатории, — уникальные, — говорит Дмитрий Самошкин. — Нам удалось первыми разработать новую методику по исследованию теплопроводности и температуропроводности металлов, проявляющих высокую активность на воздухе, в жидком состоянии. Опыты, проведенные ранее с расплавленными металлами (ртутью, индием, оловом, свинцом) подтвердили надежность результатов, полученных на установке».
Ученые признают, что их работа по большей части носит фундаментальный характер. Выводы и обобщения представляют интерес прежде всего для теории теплофизических свойств веществ, физики металлов, жидкостей и фазовых превращений. Однако числовой материал может быть использован в расчетах разнообразных тепловых процессов.
Ограничиваться лантаноидами физики не хотят, а стремятся охватить весь спектр металлов, чтобы выявить общие закономерности теплопроводности и температуропроводности. Ими уже получены данные о некоторых свойствах тяжелых РЗМ, в планах — изучение теплофизических свойств щелочных и щелочноземельных металлов.
«Скорее всего, мы будем подавать заявку на новый грант, чтобы закончить этот ряд, — делятся планами исследователи. — Имея полную информацию о редкоземельных металлах, мы сможем сделать обобщение и создать модель для прогнозирования свойств сплавов и соединений. В этом заключается фундаментальность нашей работы».
