Dlaczego ta niezwykle rzadka ziemia pozostaje niezastąpiona

Według najnowszych danych brytyjskiej firmy badawczej Argus Media cena itru jako pierwiastka ziem rzadkich na rynku europejskim wzrosła z około 6 perkilogramów na początku 2025 r. do 6 perkilogramów na początku 2025 r. do 850 za kilogram 26 lutego 2026 r. — najwyższy poziom od udostępnienia porównywalnych danych w 2012 r.

Japońska firma wykorzystująca surowce na bazie itru zauważyła: „Bardzo trudno jest zastąpić ten materiał alternatywami i jak dotąd nie zaobserwowano wyraźnego zmniejszenia wielkości zamówień”. Inne dane pokazują, że około 65% materiałów zawierających itr lub produktów z tlenku itru importowanych do Stanów Zjednoczonych pochodzi z Japonii.

Itr metaliczny jest chemicznie reaktywnym srebrzystobiałym metalem, wytwarzanym głównie w wyniku redukcji fluorku itru metalicznym wapniem. Ma tendencję do utleniania się na powietrzu, tracąc metaliczny połysk. W warunkach środowiskowych itr metaliczny zazwyczaj występuje w postaciach takich jak Y₂O₃, YCl₃, YH₃, Y(OH)₃ i związki międzymetaliczne.

Wśród pierwiastków ziem rzadkich itr wyróżnia się szerokim zakresem zastosowań. Można go stosować w diodach elektroluminescencyjnych (LED) i medycznym sprzęcie laserowym, jako materiał powlekający elementy sprzętu do produkcji półprzewodników oraz w zastosowaniach obronnych jako materiał zwiększający odporność cieplną silników lotniczych.

Itr jest dystrybuowany głównie w Chinach, Indiach, Stanach Zjednoczonych, Brazylii i Australii. Chiny posiadają około 220 000 ton przemysłowych rezerw tlenku itru, co stanowi około 43% wszystkich światowych zasobów – co stanowi największy udział na świecie. W Chinach prowincja Jiangxi zajmuje pierwsze miejsce pod względem rezerw tlenku itru ze względu na złoża metali ziem rzadkich o wysokiej absorpcji jonów itru.

Obecnie itr ziem rzadkich jest najczęściej stosowany w materiałach krystalicznych, w tym w granatie itrowo-glinowym (Y₃Al₅O₁₂, YAG), monokryształach ortowanadanu itru (YVO₄) i kryształach krzemianu itru (YSiO). Wśród nich YAG — syntetyczny bezbarwny przezroczysty kryształ o wysokiej twardości, wysokiej temperaturze topnienia i stabilnych właściwościach fizycznych i chemicznych — stał się jednym z najczęściej stosowanych materiałów kryształów laserowych. Badacze zazwyczaj domieszkują YAG pierwiastkami ziem rzadkich, takimi jak Nd, Yb i Ce, aby otrzymać produkty takie jak YAG domieszkowany neodymem i YAG domieszkowany cerem, rozszerzając w ten sposób zakres ich zastosowań.

Oprócz laserowych materiałów krystalicznych, głównym zastosowaniem itru ziem rzadkich pozostaje w materiałach luminescencyjnych, zwłaszcza luminoforach. Luminofory na bazie itru wykazują dużą zdolność pochłaniania światła i wysoką wydajność konwersji, dzięki czemu nadają się do monitorów komputerowych, wyświetlaczy z płaskim ekranem, trójpasmowych lamp fluorescencyjnych, diod LED i ekranów wzmacniających promieniowanie rentgenowskie. Obecne produkty głównego nurtu obejmują luminofory trójkolorowe do oświetlenia, luminofory o długiej trwałości i luminofory do wyświetlaczy informacyjnych.

Wysoka temperatura topnienia i stabilność termiczna Y₂O₃ pozwalają mu zachować doskonałe właściwości ochronne w środowiskach trawienia plazmowego przez dłuższy czas, co czyni go jednym z najczęściej stosowanych materiałów do ochrony poprzez trawienie plazmowe. Największą zaletą Y₂O₃ jest jego powolna szybkość reakcji w plazmie na bazie fluoru, co pomaga utrzymać stabilność powierzchni powłoki — właściwość, która czyni go szczególnie obiecującym do stosowania w 8-calowym i większym sprzęcie do trawienia. Dodatkowo tlenek itru jest przezroczystym materiałem ceramicznym w zakresie światła widzialnego o wysokiej przepuszczalności światła, dzięki czemu nadaje się do stosowania jako szkło okienne w urządzeniach do trawienia plazmowego.

YAG zapewnia nie tylko dobrą stabilność chemiczną i właściwości optyczne, ale także zapewnia wyższą wytrzymałość mechaniczną i łatwiejszą przetwarzalność w porównaniu do Y₂O₃. Chociaż odporność na trawienie plazmowe YAG jest nieco niższa niż Y₂O₃, można go stosować jako materiał na okno obserwacyjne w wyposażeniu komory trawiącej.

YF₃ może służyć jako warstwa ochronna podczas trawienia plazmowego na bazie F, hamując dalszą fluoryzację materiału i jest uważany za potencjalną alternatywę dla Y₂O₃. Gdy nie jest stosowane napięcie polaryzacji, dominują reakcje chemiczne pomiędzy materiałem powłoki a plazmą fluorowęglową, prowadzące do tworzenia drobnych cząstek fluoru na powierzchni powłoki Y₂O₃. Natomiast powłoki YF₃ utrzymują integralność i czystość powierzchni.

YOF wykazuje wysoką stabilność termiczną i chemiczną, pozostając odpornym na rozkład nawet w wysokich temperaturach i silnym środowisku kwaśnym/zasadowym. Jest uważany za wysoce obiecujący materiał powłokowy odporny na plazmę. Co więcej, współczynnik rozszerzalności cieplnej YOF jest bardzo zbliżony do współczynnika rozszerzalności cieplnej aluminium. Powłoki YOF przygotowane metodą natryskiwania cieplnego są prawie pozbawione pęknięć i tworzą wysoce krystaliczne, gęste struktury.

Tlenek itru jest szeroko stosowany w zastosowaniach biomedycznych. Na przykład nanocząsteczki tlenku itru, dzięki swoim doskonałym właściwościom fizycznym i chemicznym, okazały się skuteczne jako materiały ochronne i są szeroko stosowane w leczeniu przeciwbakteryjnym i przeciwnowotworowym, ochronie wątroby, dostarczaniu leków, biosensorach, bioobrazowaniu, obrazowaniu fluorescencyjnym i innych dziedzinach medycyny.

Dodatkowo mikrosfery ⁹⁰Y mogą przemieszczać się z krwią do guzów wątroby, skutecznie je niszcząc poprzez emisję promieniowania β. Dzięki wysokiej energii promieniowania i precyzyjnym możliwościom leczenia umożliwiają dokładne uderzenie w nowotwory od wewnątrz.

Przemysł lotniczy wymaga wysokiej jakości lekkich materiałów. Kompozyty węglika krzemu, węgla wzmocnionego włóknem węglowym i węglika krzemu spełniają te wymagania, ale ulegają utlenianiu w warunkach pracy w wysokiej temperaturze. Jednym z rozwiązań jest nałożenie na podłoże ceramicznych powłok ochronnych. Naukowcy wykorzystali reaktywne rozpylanie magnetronowe o częstotliwości radiowej do osadzania powłok Al₂O₃-Y₂O₃ na powierzchniach pokrytych Al-Y i badali zachowanie utleniające powłok kompozytowych Al₂O₃-Y₂O₃/Al-Y w różnych temperaturach i czasie trwania. Wyniki wykazały, że powłoki te wykazują doskonałą odporność na szok termiczny.

W ostatnich latach itr jako pierwiastek ziem rzadkich był szeroko stosowany jako dodatek do stali i stopów metali nieżelaznych w metalurgii. Śladowe ilości itru mogą skutecznie modyfikować zawartość, wielkość i morfologię wtrąceń. Powstałe fazy ziem rzadkich udoskonalają strukturę ziaren, tłumią segregację pierwiastków, poprawiają jednorodność mikrostruktury i zwiększają gęstość warstw tlenku stopu. Efekty te znacznie poprawiają różne właściwości fizyczne i chemiczne różnych stopów, w tym właściwości mechaniczne, właściwości magnetyczne, odporność na korozję i przewodność elektryczną, spełniając wymagania wydajnościowe dla nowych materiałów w przemyśle lotniczym, obronnym i innych dziedzinach.

Nadprzewodniki ziem rzadkich na bazie itru stopniowo stały się ważnym składnikiem nadprzewodników wysokotemperaturowych, przyciągając szerokie zainteresowanie badaczy. Po latach rozwoju YBCO stał się podstawowym materiałem nadprzewodzącym, chociaż technologia jego wytwarzania pozostaje stosunkowo niedojrzała, a komercjalizacja wymaga dalszych ulepszeń w zakresie stabilności procesu i wydajności. Nadwodniki ziem rzadkich wykazują nadprzewodnictwo w temperaturze bliskiej pokojowej pod wysokim ciśnieniem, rozpoczynając nową erę badań nadprzewodnictwem wysokociśnieniowym. Nadwodniki itru, ze swoimi bogatymi stechiometriami i doskonałymi właściwościami nadprzewodzącymi, cieszą się dużym zainteresowaniem społeczności badawczej zajmującej się nadprzewodnikami.

W ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem itr jest powszechnie stosowany w porowatych materiałach anodowych, takich jak Ni-(Zr,Y)O₂-X, osiągając sprawność konwersji mocy przekraczającą 60%.

Nanoproszek Y₂O₃ można stosować w wielowarstwowych kondensatorach ceramicznych. Dielektryki BaTiO₃ domieszkowane Y₂O₃ nadają się do wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych z elektrodą niklową o grubości poniżej 2 μm.

Trójskładnikowe stałe roztwory CeO₂-ZrO₂ domieszkowane nanocząsteczkami Y₂O₃ wykazują doskonałe działanie jako katalizatory magazynujące tlen w katalizie spalin (takie jak katalizatory trójdrożne).

• Zhang Chi i in. Rozwój i zastosowania itru ziem rzadkich, Szkoła Nauki i Inżynierii Materiałowej, Politechnika w Shenyang, Raporty materiałowe
• Wen Yaoru. Przygotowanie i charakterystyka zoli i proszków tlenków itru ziem rzadkich, Uniwersytet Naukowo-Technologiczny w Jiangxi, praca magisterska
• Liu Zhili. Kontrolowane wytwarzanie i charakterystyka nanoproszków tlenku itru, Politechnika w Szanghaju, praca magisterska
• China Powder Network (pod redakcją Ping An)