Lên mạng ngày 28/6/2011
Biết thêm về các yếu tố thời trang cận đại của đất hiếm
G S Tôn thất Trình
Cách đây 4 tháng, chúng tôi đã nêu sơ lược vài khía cạnh kỷ thuật và ảnh hưởng môi sinh, nếu Việt Nam tăng gia khai thác và tinh luyện các mỏ quặng đất hiếm nước nhà . Cũng như ít ai biết nhiều về khai thác sử dụng quặng uranium phóng xạ làm nhiên liệu các nhà máy điện hạt nhân nguyên tử sắp làm ở tỉnh Ninh Thuận, mà theo tài liệu của các nhà cố vấn kinh tế và thương mãi Âu Châu tháng 8 /2010 vùng Tây Bắc ( Phong Thổ - Lai Châu …) và miền Trung và Cao nguyên Trung phần ( Kontum – Quảng Nam – Quảng Ngải … ), Việt Nam có chừng 210 000 tấn trầm tích U308 , nồng lượng oxide uranium tương đối thấp 0.06 % ( Dự trữ khai thác được ước lượng 1337 tấn mà thôi ) , người dân Việt Nam trung bình phần lớn vẫn còn trong âm u đen tối về chất đất hiếm – rare earths, dù rằng chúng đã đúc ra nhiều ánh sáng lạ trên thế giới ngày nay . Nhưng khai thác và tinh luyện đất hiếm ,không hay ít hại đến môi sinh, chỉ mới là bước đầu, quan trọng hon nữa là xử dụng đất hiếm trong công nghệ cận đại nước nhà .
Cerium là nguyên tố khẩn thiết làm ra các đèn ánh sáng trắng quắt , các nhà làm phim xinê chói sáng hành động đang thâu diễn. Gương ( kiếng, kính ) pha thêm cerium vào, hấp thu hửu hiệu ánh sáng cực tím- ultraviolet (UV )light. Các đèn này rất tốt để làm các cửa sổ và kính giâm-sun glasses chận đứng UV, cũng như bảo vệ thiết bị tia-X khỏi bị phóng xạ làm hư hại. Hai kim lọai đất hiếm khác là neodymium và praseodymium trưng bày hình ảnh quỉ thuật của chúng ở phần cuối quang phổ. Chúng ngăn cản ánh sáng hồng nội – infrared light và được hội nhập vào các kính bảo vệ mắt lồi – goggles các thợ hàn, để sức nóng khỏi lọt vào làm hư mắt thợ. Những oxides này cũng hấp thu màu vàng và màu xanh lục , cho nên kiếng chúng làm ra, đặc biệt có màu tím nhẹ hoa cà – mauve tinge.
Nói một cách bao quát hơn, đất hiếm cọng thêm màu sắc vào thế giới chúng ta, vì những đặc tính quang học giàu có và đa lọai của chúng. Lớp bóng láng trên đĩa đất nung và bình vại thường oxyd thiếc ( trắng ) đồng ( xanh dương ) hay sắt( hổ phách- amber ) . Nhưng các oxyd đất hiếm hòa tan trong bóng láng, hầu tạo thành những ánh xa lạ hơn, tỉ như xanh lục hường hay vàng chanh có vẽ sắc bén và sắc điện nghệ sĩ mến yêu. Theo David Pier , nhà nghệ sĩ đồ gốm ở thị trấn Chapel Hill, bang North Carolina – Hoa Kỳ, “ chúng có thể trong suốt, thật sự không đem lại đời sống cho đồ gốm”. Chẳng hạn, thêm oxyd erbium vào, sẽ cho đồ gốm một chuyễn điệu tế nhị, màu hường nước chanh hơn là thuốc Pepto- Bismol, theo lời Pier mô tả.
Hùynh quang sặc sở là thẻ gọi của một nguyên tố đất hiếm khác, có tên quái dị : europium vì nguyên tố thường mang tên thành phố hay vùng chúng được khám phá, đôi khi theo tên các tỉnh nhà như trường hợp yttrium. Europium đi ngược lại khuynh hướng. Đây là nguyên tố cuối cùng của nhóm đất hiếm lanthanides thiên nhiên được tìm thấy năm 1901. Năm đó, ông Eugène –Anatole Demarc( x)ay, người Pháp cách ly ra nguyên tố này như thể là một chất dơ bẩn các mẩu một đất hiếm khác, tên là samarium ( tên gọi gián tiếp của một chức quyền mỏ ở Nga V.E.Samasrsky – Bykhovets ). Trong một phút khoan dung đại lượng, Demarc( x )ay quyết định gọi nguyên tố của ông không phải dưới tên Paris – Ba Lê , nơi ông làm việc hay tên Pháp Quốc – France, mà dưới tên làm danh dự cho tòan thể các nước Âu Châu là Europe.
Trong tất cả đất hiếm, europium có lẽ là nguyên tố trông thấy nhiều nhất. Nó được dùng trong các phosphors – chất lân các trưng bày màn hình : nơi nó phát ra ánh sáng màu đỏ hay màu xanh dương. Một chút europium cũng được thêm vào hơi thủy ngân đèn đường phố - street lamps để làm trắng màu xanh dương lạnh lẽo bình thường của đèn đường. Europium cũng tìm cách le lõi vào ví tiền túi quần. Chức quyền của Ngân hàng Trung ương Âu Châu rỏ ràng đã quyết định sẽ lồng các hợp chất căn bản europium vào các bạc( tiền ) giấy ngân hàng euro làm các các vết ghi nhãn an tòan ánh sáng huỳnh quang. Khi các bạc giấy ngân hàng được máy rà dò – scanner UV của ngân hàng thanh tra, những hình ảnh một cây cầu và lục địa Âu châu hiện lên màu xanh lục. Liên hệ giữa europium và đồng euro không được tuyên bố ( trước ). Liên hệ bị tiết lộ khi hai nhà hóa học viện đại học Utretch, Hòa Lan Freek Siujver và Andries Meijerink tò mò đặt các bạc giấy này dưới máy quang phổ. Họ cười to, nhưng không biết được ai đã làm cuộc pha chế phức tạp đùa bỡn này. Meijerink nói: “ tôi được biết cách sử dụng này của europium là cố ý, nhưng lấy làm tiếc là tôi không có thông tin nội tạng gì cả là ai, ở đâu và cách nào họ đã lấy quyết định sử dụng europium phát quang ”.
Nguồn cung cấp đất hiếm sẽ không làm cho ai đó lưu tâm, nếu không có yêu cầu và chính yêu cầu phát sinh từ các đặc tính điện – electrical properties khác thường của đất hiếm ; các nhà hóa học gọi là lanthanides vì chúng phần lớn( ngọai trừ scandium và yttrium) theo sau lanthanum ở bảng hóa học tuần hòan các nguyên tố . Các lanthanides chia sẽ những đặc tính hóa học tương tự vì chúng đều phản ứng tương tự, phần lớn với ba electrons vòng ngòai của chúng. ( một xếp đặt electrons của một nguyên tử sẽ qui định đa số các nét đặc trưng lý học và hóa học của nó). Cũng như đồng, sắt, cobalt và các kim lọai quen thuộc hơn, lanthanides làm ra những hợp chất màu sắc. Ma lực xảy ra khi những electrons vòng ngòai, thay đổi tình trạng năng lượng và giải tỏa ra ánh sáng nhìn thấy được. Nhưng đất hiếm lại đặc biệt có giá trị nhờ những đặc tính hùynh quang của chúng. Chúng có thể hấp thu ánh sáng hay các tia UV và phát ra lại năng lượng theo một phát sáng quái đản của vài màu sắc đặc thù cho mỗi nguyên tố. Phát ra chói lọi màu đỏ và màu xanh lục là lý do tại sao các lanthanides lại là thành phần cần thiết ngày nay cho các máy ti vi và các bóng đèn dày đặc huỳnh quang.
Trên viễn cảnh kỷ thuật, một tính trạng đất hiếm đáng lưu ý hơn nữa là vài lọai đất hiếm có từ tính – magnetic rất cao. Hợp kim với nhiều kim lọai khác, chúng làm ra những nam châm – magnets rất mạnh mẽ và dày đặc: hòan hảo cho các ổ cứng máy computer, các dụng cụ điện không dây – cordless power tools, ống phóng thanh micro và ống nghe mắc qua đầu. Một iPod cần đến ba lần hớp đất hiếm để tồn trữ âm nhạc kỷ thuật số, tái tạo trong các chồi tai – earbuds và để trưng bày cái gì đang chơi. Một hợp kim sắt chưa terbium và dysprosium có đặc tính đặc biệt hửu ích: nó dãn nở và co lại hửu hiệu dưới sự hiện diện của một từ trường. Các máy cảm dò – sensors, khởi động – actuators và tiêm vào – injectors ,tường sử dụng những vật liệu này để điều hòa dòng xăng đến một động cơ ô tô.
Các nam châm dày đặc, uy vũ là những thành phần then chốt cho các máy phát điện hửu hiệu và các motors điện và điều này làm cho các đất hiếm trở thành những ngôi sao ở ngành kỷ thuật xanh. Hảng Molycorp Minerals , hảng khai thác mỏ đất hiếm lớn nhất - Hoa Kỳ, lạc quan gọi chúng là “ những nguyên tố xanh” Các siêu nam châm lốm đốm lanthanide được sử dụng phát ra điện ở các tua bin gió. Một tua bin có khả năng phát ra 2.5 megawatts ( 2500 KW ) điện, điển hình dùng 700 cân Anh neodynium. Các tàu cao tốc maglev sử dụng nhiều nam châm kiểu này để làm bay bổng các toa xe lên trên hẳn đường rầy. Xe ô tô Prius của Toyota thật tiễn là một trình diễn đất hiếm cuốn lăn, chứa 8 nguyên tố khác nhau, tổng cọng là 25 cân Anh đất hiếm .
Thế nhưng tính cách nhiều mặt thương mãi của lanthanides nới rộng ra khỏi ngoài vòng thế giới điện tử. Cerium là một thí dụ đáng kể nhất. Nhà hóa học Thụy Điễn Jons Jacob Berzelius khám phá ra nó năm 1803 và đặt tên nó chiếu theo ngôi sao nhỏ Ceres khám phá hai năm trước ( lúc đó, Ceres đựợc xem là một hành tinh mới và được ca tụng nhiều). Năm 1885, nhà hóa học nước Áo Carl Auer von Welsbach tìm thấy là một nhúm oxyd cerium , trộn chung với oxyd thorium, tăng gia tốt đẹp độ sáng ngời một đèn khí thắp. Ngay sau đó, Auer cũng khám phá là một trộn lẫn cerium và sắt, sẳn sàng tạo ra tia lữa. Hợp kim, ông khiêm nhường gọi tên là Auermetall, vẫn còn được dùng để nhen ngọn lữa các bật lữa đốt điếu thuốc lá.
Các ứng dụng Cerium nhân lên thêm nhiều. Một bột mịn oxyd cerium , tên gọi là “đỏ” của nhà quang học, là một mài nhẳn thượng hạng để mài bóng gương –kính. Các hợp chất cerium làm thành các sắc tố đỏ không độc hại, sử dụng chế tạo đồ chơi và các sản phẩm gia thất. Ở y khoa, các hợp chất cerium có lúc đã được dùng trị ho lao hay say sóng biển. Ngày nay các thuốc này được xem là thuốc lang băm, nhưng nguyên tố vẫn còn được các bệnh viện dùng lau khử trùng các vết cháy thương tích nặng. Bạn có thể đã có oxyd cerium ở phòng bếp , nếu lò nướng của bạn là một kiểu tự làm sạch. Nó sẽ giúp phá vỡ các thức ăn còn thừa đang cháy dỡ. Bạn có thể có oxyd cerium ở xe hơi , nếu xe không cũ hơn 35 năm. Hợp chất họat động để chuyễn hóa phát thải carbon monoxide trong các ống xã khí thành carbon dioxide ít độc hại hơn. Bột mịn oxyd cerium trộn vào nhiên liệu diesel ũng có thể dùng làm sách các khói phun bồ hóng xe vận tải và xe búyt sản xuất. Ngành công nghệ tiêu thụ 55 000 tấn cerium một năm. Năm 2010, giá nguyên tố cerium lấy ra từ một lọai thạch cương dầm mưa dãi gió tên là monazite là 60 đô la Mỹ một cân Anh .
Nhắc lại là cả hai từ Đất và Hiếm đều không sát nghĩa, như đã nói ở bài trước : từ hiếm chỉ đúng nghĩa ở trí óc thế kỷ thứ 19 khi chúng đến với chúng ta duy nhất từ Scandinavia và từ đất khi tìm thấy chúng dưới đất ở thể oxyd tựa như đất, một thể rất khó lòng trích - tinh luyện thành kim lọai thuần túy. Ngày nay đất hiếm thật không hiếm gì cả thảy . Đất hiếm thông thường nhất là Cerium xếp vào hạng phong phú thứ 25 trên vỏ Trái Đất, một hạng trên đồng - copper. Yttrium cũng phong phú như thể là chì – lead vậy. Mọi đất hiếm là kim lọai – metal, ngọai trừ promethium phóng xạ - radioactive; chúng thảy đều thông thường hơn cả bạc – silver nữa . Ánh sáng rực rở , ấm áp của terbium là cơ bản cho các bóng đèn dày đặc cao năng hùynh quang. Europium được khai thác rộng rải làm các trưng bày sinh động cho máy computer để đùi – laptop và các máy điện thọai thông minh – smart phones . Đất hiếm cũng lộ ra ở những nơi bất ngờ như các gậy bóng chày – baseball bats , tiền tệ - bạc giấy Âu Châu và các kiếng mắt lồi - goggles nhìn đêm.
Cọng thêm vào phổ biến mỗi ngày mỗi tăng gia là giá trị mới của Đất hiếm và cả danh tiếng chánh trị nữa . Giá terbium và europium gần đây đã cao hơn giá bạc kim lọai đạt 40 đô la một lạng - ounce Anh (28.35 gr ). Lý do đất hiếm gây xôn xao dư luận không phải là vì chúng hiếm, mà là vì khó tới được nơi chúng phát sinh để khai thác chúng . Đất hiếm có khuynh hướng tìm thấy ở những đá tảng cứng rắn tỉ như thạch cương – granite , nơi chúng đóng cục một cách đồng đều, khiến chúng càng thêm khó khai thác, khó chiết trích.
Tách ra các nguyên tố mong muốn, đòi hỏi một tiến trình độc hại và nguy hiểm và Trung Quốc là nơi có đủ hạ tầng cơ sở để làm công tác này một cách có lợi kinh tế. Trung Quốc nắm giữ 36 % của 110 triệu tấn đất hiếm thế giới khai thác được. Phần còn lại rải rác khắp thế giới đặc biệt ở Hoa Kỳ, Ấn Độ, Úc Châu và Nga. Tuy nhiên, Trung Quốc hiện chiếm đến 97 % sản xuất các oxyd đất hiếm thế giới, chiếu theo Cơ quan Kế tóan của Chánh phủ Hoa Kỳ. Nhờ cách đây không lâu, Trung Quốc đã năng nổ đeo đuổi các phương thức rẽ tiền cách ly đất hiếm, lợi dụng chưa có các luật lệ điều hòa môi sinh tốn kém và đó là lý do Trung Quốc đã gần như độc quyền sản xuất đất hiếm. Theo Pekka Pyykko, giáo sư hóa học ở viện đại học Helsinki, Phần Lan nói: không phải tất cả mọi trầm tích đất hiếm là ở Trung Quốc , nhưng khả năng tiến trình khai thác- trích chiết hiện nay là ở Trung Quốc .
Nhưng giá cả lên cao, tất nhiên khiến cho những khả năng mới ở các quốc gia khác sẽ tái lập. Chẳng hạn như ở Đèo Núi - Mountain Pass , bang Ca Li Hoa Kỳ. Công ty Molycorp, năm 2002 đã đóng cửa khai thác đất hiếm ở đây, nhưng đầu năm 2011 đã mở cửa khai thác lại. Một công ty Hoa Kỳ khác là US Rare Earths, chủ nhân quyền khai thác các tài nguyên lanthanides ở các bang Montana và Idaho, đang ở các giai đọan đầu thám hiểm phát triễn mỏ đất hiếm ở các vùng này, cần 15 năm mới khai thác được; lý do chánh là tại vì ở Hoa Kỳ cần nhiều thời gian để thỏa mãn các luật lệ điều hòa của các bang và của liên bang . Một thăm viếng xem xét một phần khác của bảng hóa học tuần hòan cũng đem lại những thay thế cho vài lọai lanthanides . Tháng giêng năm 2011, Toyota bị giá đất hiếm lên cao và lo ngại thiếu cung cấp ám ảnh, tuyên bố hảng đang phát triễn một lọai lực đẩy - propulsion mới gọi là motor cảm ứng – induction motor cho các xe hơi chạy điện tương lai và cho các xe lai – hybrid vehicles. Kỷ thuật đáng chú ý này sẽ không dựa vào các nguyên tố đất hiếm.
Vài thí dụ dùng đất hiếm Lanthanides:
1-Toyota Prius : Toyota đã bán ra 2 triệu xe Prius tòan cầu từ khi ra đời năm 1997, kể cả 1 triệu xe bán ở Hoa Kỳ. Tiếc thay, khi xe lai phổ thông nhất thế giới hớp xăng , xe lại nốc nhiều đất hiếm . Xe Prius có điện dùng nhờ một gói bình điện( ắc quy – battery) chứa 20 cân Anh lanthanum đưa thoi các electrons giữa các ga- terminals bình điện âm hay dương. Những nam châm uy vũ ở các motors điện xe Prius hội nhập neodymium , giá đất hiếm này tăng vọt 150% quí đầu năm 2011 . Giá lanthanum đã tăng gấp 7 lần hơn , đạt 60 đô la một cân Anh , so với năm 2010 khi Trung Quốc vào năm 2010 ngưng một thời gian ngắn ngủi chuyễn tàu chở đất hiếm đến Nhật Bổn, khi hai bên tranh chấp ngọai giao. Toyota đang họat động với công ty ô tô điện Tesla Motors để cài đặt các motor sạch đất hiếm – rare earth free trên các xe hơi tương lai.
2- Các gậy banh chùy chứa lanthanides: Bạn muốn tăng hiệu xuất đánh banh chày của bạn chăng ? Bạn hãy sử dụng một gậy – bat kim lọai chứa nguyên tố đất hiếm scandium . Khi pha lẫn với aluminium, nguyên tố màu bạc trắng này co rút lại và tinh luyện các hột kim lọai, làm thành một hợp kim kháng nứt nẽ rất mạnh. Bạn chỉ cần một tí đất hiếm là xây đắp ra một gậy mạnh mẽ hơn, mà không phải hy sinh tính đàn hồi –resilience và bền bỉ - durability , theo lời Dewey Chauvin , giám đốc công nghệ làm gây đánh banh chày của hảng Easton Sports . Bạn còn có thể thêm nhiều đặc điểm vào gậy, tỉ như làm ra ống tròn dài hơn và như vậy có nhiều điểm chẩm tốt, lớn hơn, khỏi gánh chịu cân nặng hơn. Nhưng sản xuất scandium quá ít cho nên nguyên tố này ( còn dùng làm khung xe đạp và gậy đánh thanh móc – lacrosse ) có thể tốn đến hàng trăm đô la một cân Anh, giới hạn nó chỉ sử dụng làm các gậy hảo hạng giá trên 150 đô la hay cao hơn nữa.
3- Các máy điện thọai thông minh chứa lanthanides: Thời đại tiêu thụ đồ điện tử teo dần , sẽ không thể nào xảy ra nếu không có đất hiếm . Neodynum là một nguyên tố quan trọng nhất ở đây, vì những đặc tính từ tính uy vũ của nó. Ở các điện thọai tế bào cận đại , neodymium là thành phần then chốt trong một nam châm thường trực mỏng như dấu xi, chuyễn hóa tín hiệu điện thành các làn sóng âm thanh ở loa phóng thanh và bộ ống nghe mắc qua đầu . Nó cũng được sử dụng ỏ các motors nhỏ rung chuyễn khi bạn tắt chuông gọi . Những đất hiếm khác cũng khẩn thiết cho trưng bày sống động trên điện thọai thông minh , ti vi và computer để đùi- laptop ( láp tốp ). Europium và terbium phát ra ánh sáng đỏ và xanh lục theo thứ tự . Giá trị thị trường của chúng đã tăng hơn 75 % bốn tháng đầu năm 2011 . Yêu cầu sẽ tăng thêm khi các màn hình màu sờ mó- touch screen trở nên thông thường hơn, với sự lan tràn các sổ tay – tablets và máy đọc điện tử- e reader .
4- Các tua bin gió chứa lanthanides. Điện sạch carbon được tăng cường nhiều nhờ đất hiếm. Phía sau động cơ quay – rotor của tua bin gió những lõi dây – wire coils xuyên qua một từ trường để phát ra dòng điện. Hầu tối đa hửu hiệu, các nhà chế tạo như hảng GE – General Electric thường dùng các nam châm cường độ cao, hội nhập nhiều nguyên tố đất hiếm. Vài tua bin chứa 700 cân Anh neodymium. Theo nhà khoa học vật liệu Alex King , La bô Ames bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nếu không có đất hiếm, chúng ta phải dùng những nam châm lớn, nặng hơn và phải xây cất một tháp mạnh hơn, tốn kém hơn để chứa đựng chúng . Năm 2010, GE nhận 2 triệu đô la tài trợ cho không của Liên Bang để phát triễn những nam châm chỉ chứa 1/5 đất hiếm đất hiếm so vớ các nam châm hiện hửu.
5- Quang cảnh mỏ khai thác đất hiếm Đèo Núi – Mountain Pass ở bang Ca li. Hoa Kỳ. Mỏ này đã được khai thác lại đầu năm 2011, để cung cấp một thay thế đất hiếm Trung Quốc. Hình ảnh đính kèm là 6 lọai đất hiếm đáng gía , dưới dạng bột oxyd . Trước mặt nhất là neodymium, một thành phần then chốt của những linh kiện điện tử.
( chiếu theo Hugh Aldersey – Williams, số tháng 7-8 tạp chí Khám phá – Discover, Hoa Kỳ )
( Irvine , Nam Ca Li ngày 25 tháng 6 năm 2011 )
