عناصر خاکی کمیاب دارای تعدادی خواص مفید هستند که آنها را به شدت مورد توجه صنایع فناوری و انرژی قرار می دهد. این مجموعه از 17 فلز شامل 15 عنصر فلزی موجود در انتهای جدول تناوبی و همچنین عناصر ایتریم و اسکاندیم است.
با ارزش ترین آنها نئودیمیم، پرازئودیمیم، تربیوم و دیسپروزیم هستند که به عنوان آهنرباهای کوچک شده فوق قوی، جزء حیاتی الکترونیک، از جمله گوشی های هوشمند، باتری ماشین های الکتریکی و توربین های بادی عمل می کنند. با این حال، عرضه محدود جهانی آنها یک نگرانی بزرگ برای دولت ها و شرکت هایی است که برای ادامه تولید انواع لوازم ضروری مدرن به این فلزات نیاز دارند.
اما چرا عناصر خاکی کمیاب اینقدر نادر هستند؟
به نظر می رسد، آنها واقعاً نادر نیستند. یک مطالعه سازمان زمین شناسی ایالات متحده در مورد “فراوانی کریستالی” عناصر مختلف – به این معنی که اگر به طور متوسط پوسته زمین را محاسبه کنید چقدر در دسترس است – نشان داد که بیشتر خاک های کمیاب “از نظر اندازه با فلزات معمولی مانند مس و روی برابر هستند. آرون نوبل، استاد و رئیس بخش مهندسی معدن و مواد معدنی در ویرجینیا تک، به لایو ساینس گفت. آنها مطمئناً به اندازه فلزاتی مانند نقره، طلا و پلاتین کمیاب نیستند.
اگرچه این عناصر نسبتاً قابل دسترس هستند، اما استخراج آنها از منابع طبیعی بسیار دشوار است.
Paul Ziemkiewicz، مدیر مؤسسه تحقیقات آب ویرجینیای غربی، به Live Science گفت: «زمین‌های دردسرساز» نام بهتری برای آنها است. “مشکل این است که آنها در یک مکان متمرکز نیستند. حدود 300 میلی گرم در هر کیلوگرم [0.005 اونس در هر پوند] خاک کمیاب در سراسر شیل های ایالات متحده وجود دارد. این تقریباً همان چیزی است که اگر حفاری کنید به دست خواهید آورد.
به طور معمول، فلزات در پوسته زمین به دلیل فرآیندهای زمین شناسی مختلف، مانند جریان گدازه، فعالیت هیدروترمال و تشکیل کوه، متمرکز می شوند. با این حال، شیمی غیرمعمول عناصر خاکی کمیاب به این معنی است که این فلزات به طور کلی در این شرایط خارق‌العاده جمع نمی‌شوند. در نتیجه، ردپایی از این عناصر در سراسر سیاره پخش می‌شود و استخراج این مواد را به‌ویژه ناکارآمد می‌سازد.
گاهی اوقات، شرایط بسیار اسیدی زیر زمین می تواند مقدار عناصر کمیاب خاکی موجود در مناطق خاص را کمی افزایش دهد. اما یافتن این سایت‌های غنی‌شده دست نیافتنی تنها چالش اول است.
در طبیعت، فلزات به عنوان ترکیباتی به نام سنگ معدن وجود دارند که حاوی ذرات فلزی هستند که با پیوندهای یونی قوی به سایر مواد غیرفلزی (به نام یون های ضد) مرتبط هستند. برای به دست آوردن فلز خالص، این پیوندها باید شکسته شوند و ضدیون ها باید حذف شوند – اما دشواری این جداسازی به فلز و ضدیون مورد نظر بستگی دارد.
سنگ معدن می تواند برای همه انواع فلزات وجود داشته باشد، نه فقط عناصر خاکی کمیاب. به عنوان مثال، مس و آهن نیز می توانند سنگ معدن را تشکیل دهند.
Ziemkiewicz توضیح داد: “سنگ معدن مس معمولاً به صورت سولفید ظاهر می شود. شما سنگ معدن را تا جایی گرم می کنید که سولفیدها را به صورت گاز خارج می کند و مس خالص از کف ظرف واکنش شما خارج می شود. این استخراج بسیار آسان است.” برخی دیگر مانند اکسیدهای آهن به افزودنی نیاز دارند تا فلز را آزاد کنند.
فلزات خاکی کمیاب به طور طبیعی دارای سه بار مثبت هستند و پیوندهای یونی فوق العاده قوی با یون های فسفات که هر کدام دارای سه بار منفی هستند تشکیل می دهند. بنابراین فرآیند استخراج باید بر جاذبه بسیار قوی بین فلز مثبت و فسفات منفی غلبه کند – کار کوچکی نیست.
نوبل گفت: “این یک زنجیره تامین بسیار طولانی و پیچیده برای فلز خالص است.” سنگ معدن‌های خاکی کمیاب، مواد معدنی بسیار پایداری از نظر شیمیایی هستند – شما باید انرژی و شدت شیمیایی زیادی را برای تجزیه آنها صرف کنید. اغلب اوقات، این فرآیند از pH بسیار پایین، شرایط بسیار تهاجمی و دمای بسیار بالا استفاده می‌کند، زیرا این پیوندها بسیار قوی هستند.”
همین دشواری استخراج عنصر خالص است که نام عناصر خاکی کمیاب را به آنها می دهد. برخی از محققان در حال کار بر روی روش های جدیدی برای بازیافت و استخراج این فلزات ارزشمند از زباله های الکترونیکی و صنعتی قدیمی هستند تا فشار وارده بر منابع فعلی را کاهش دهند. برخی دیگر در تلاشند تا خواص مغناطیسی و الکترونیکی غیرمعمول را در ترکیبات جدید بازتولید کنند تا جایگزینی برای این فلزات گریزان ارائه کنند که می توانند در ترکیبات در دسترس تر و ساخته شده توسط انسان که مانند عناصر کمیاب خاکی رفتار می کنند، محافظت کنند.
با این حال، در حال حاضر هیچ جایگزینی برای خاک‌های کمیاب مشکل‌ساز وجود ندارد، حتی با افزایش سرسام‌آور تقاضا.
