Đất Hiếm

             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 kỹ 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 

           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 kỹ 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 .

Mountain Pass mine ở Cali 

        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.  Kỹ 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.

Nếu không có kim lọai từ đất hiếm lanthanum và neodymium, thì không có bình điện xe Toyota Prius 

     2-  Các gậy banh chùy chứa lanthanides: Bạn muốn tăng hiệu xuất  đánh banh chùy 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 . 

gậy banh chùy với scandium 

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.

Dụng cụ với neodynium 

   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 hữu 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.

tua bin gió chứa Lanthanide của GE

     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 )