Parlant de science du professeur Hanington : cérium, élément rare

Nov 14, 2023

LED blanche au cérium

Comme promis il y a quelques semaines, nous passons ce mois-ci en revue les terres rares pour deux raisons. La première, malheureusement, est la suivante : ces derniers temps, il n'y a pas beaucoup d'informations intéressantes sur les sciences physiques qui font les gros titres aux États-Unis ni dans le monde d'ailleurs et, comme la plupart des lecteurs le savent, je ne couvre rien de ce qui concerne la biologie. Je laisse ça à Hannah qui travaille dur au MIT ces jours-ci.

La deuxième raison est que le sujet des éléments de terres rares deviendra bientôt un sujet très brûlant car la Chine a commencé à limiter l'exportation de ces éléments importants, en particulier au cours des derniers mois. En fait, certains des clients d'AHV ont envoyé des questionnaires pour savoir si AHV utilise de telles terres rares dans l'un de leurs produits et serons-nous impactés. Bien que les moteurs, les aimants et l'électronique exotique spéciale puissent le faire, nous ne sommes pas vraiment touchés par cet embargo commercial. Par conséquent, sur la base de ce qui précède, nous poursuivons notre étude avec le cérium, élément de terre rare.

Le cérium, avec un numéro atomique de 58, est un métal mou, ductile et blanc argenté qui, tout comme l'argent, développera un ternissement d'oxyde lorsqu'il est exposé à l'air. Vous avez peut-être entendu parler du cérium pour la première fois lorsque vous avez acheté un four électrique autonettoyant. Pendant des décennies, à l'intérieur du poêle, l'oxyde de cérium (III) est utilisé dans les parois pour aider à prévenir l'accumulation de graisse de cuisson en agissant comme catalyseur de l'oxydation des hydrocarbures. Ou, si vous êtes un bricoleur et que vous fabriquez un télescope, vous constaterez que le processus de meulage du miroir utilise de l'oxyde de cérium. Ce composé abaisse l'énergie de surface du verre en formant un matériau silicone cérium oxygène plus doux que le verre sous-jacent et permet à la surface de prendre un poli lisse, c'est généralement la dernière étape complétée avant l'alumination du miroir.

Le cérium est également le métal principal de l'alliage appelé : mischmétal. Ce solide métallique a la propriété intéressante de produire facilement des étincelles lorsqu'il est frappé ou gratté avec du fer et est souvent utilisé comme pierre à briquet. Mischmetal, l'allemand pour "mixed metal", contient également plusieurs autres éléments de terres rares : 55 % de cérium, 25 % de lanthane et jusqu'à 18 % de néodyme. Vous pouvez remercier le chimiste allemand Carl Auer von Welsbach d'avoir découvert cet étrange alliage dans sa quête pour essayer de perfectionner les systèmes d'éclairage à manteau de gaz de rue dans sa ville natale. Pensez à lui la prochaine fois que vous utiliserez un percuteur comme torche.

La stabilité des pigments lorsqu'ils sont exposés à une lumière vive peut être améliorée par l'ajout de cérium. La poudre de sulfure de cérium est généralement utilisée lorsqu'une couleur rouge foncé est requise car elle a une bonne stabilité thermique et est non toxique. Il offre une teinte qui résiste à l'assombrissement causé par la lumière du soleil. Vous pouvez considérer comme un bon pari que de nombreux panneaux routiers incorporent du cérium lors de leur fabrication.

Une autre utilisation de l'élément est comme additif (16% Ce en poids) avec de l'aluminium pour créer un alliage eutectique coulable qui a une excellente résistance à haute température. Cet alliage est utilisé notamment dans la fonderie des culasses de moteurs hautes performances. En permettant au moteur de fonctionner plus chaud, la puissance de sortie peut être considérablement augmentée. D'autres applications automobiles du cérium concernent les convertisseurs catalytiques pour l'oxydation des émissions de CO et de NOx dans les gaz d'échappement.

Le cérium est le plus abondant de tous les éléments de terres rares constituant 66 ppm de la croûte terrestre, une valeur légèrement inférieure à celle du cuivre (68 ppm), ce qui rend sa liste de terres rares vraiment pas si rare. Le cérium est présent dans divers minéraux, les sources commerciales importantes étant la monazite et la bastnäsite et est considéré comme l'une des terres rares les plus faciles à extraire en raison de l'état d'oxydation stable +4 dans les solutions aqueuses. Pour ceux qui veulent raffiner le cérium de la bastnäsite, il suffit de laver avec de l'acide chlorhydrique pour éliminer le carbonate de calcium, de rôtir à l'air pour le convertir en dioxyde de cérium qui peut maintenant être lessivé avec de l'acide chlorhydrique.

L'une des utilisations les plus récentes du cérium au cours de la dernière décennie a été la construction de LED blanches. La plupart des LED "blanches" en production utilisent aujourd'hui une LED de nitrure de gallium bleu de 460 nm recouverte d'un revêtement de phosphore jaunâtre généralement constitué de cristaux de grenat d'aluminium et d'yttrium dopés au cérium qui ont été réduits en poudre et liés dans un type d'adhésif visqueux transparent. La puce LED émet une lumière bleue, dont une partie est convertie en jaune par le YAG:Ce. Étant donné que la lumière jaune stimule les récepteurs rouges et verts de l'œil, le mélange résultant de lumière bleue et jaune donne l'apparence du blanc.

Vous avez probablement déjà vu des images rapprochées du Soleil, révélant des taches solaires, des tempêtes solaires ou autre chose. Mais vous n'avez jamais vu le Soleil comme ça. Ces images ont été récemment capturées par le télescope solaire Daniel K. Inouye, le télescope solaire le plus puissant de la planète.

Gary Hanington est professeur émérite de sciences physiques au Great Basin College et scientifique en chef à l'AHV. Il peut être contacté à [email protected].

En voici un très ancien qui fait suite au puzzle d'il y a deux semaines où IOA était l'orthographe d'un état en utilisant seulement trois lettres (pour l'Iowa). Maintenant, encore mieux, nommez un état qui peut être épelé avec seulement deux lettres.

Réponse : Ohio (oO)

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