Lze nahradit prvky vzácných zemin?

Pokud celosvětové dodávky vzácných zemin z velké části kontroluje jediná entita, připomíná celková situace monopol a vzácné zeminy se stávají důležitým trumfem při geopolitických vyjednáváních. Prvky vzácných zemin se pak dostávají na seznam strategických surovin a nalezení jejich náhrad je velmi žádané.

V materiálových vědách platí, že velmi vzácný, a tedy i velmi cenný je vliv vzácných prvků na některé vlastnosti vybraných sloučenin, které používáme v našich moderních technologiích. Problémem je, že prvky vzácných zemin se zdají být ve své roli do určité míry téměř nenahraditelné. Ta opatrná formulace o nenahraditelnosti znamená, že někdy náhrada sice existuje, leč je tam nějaké to pověstné „ale“. Například u magnetů je důležitou charakteristikou tzv. maximální energetický součin. Magnety NdFeB obsahující prvek vzácných zemin neodym mají tento součin v rozmezí 200–450 kJ/m³, kdežto u feritových magnetů bez vzácných zemin je jen v rozmezí 20–40 kJ/m³. Náhrada tedy existuje, ale magnety bez vzácných zemin by musely být desetkrát větší, což komplikuje tak populární miniaturizaci součástek a výrobků. U jiných vlastností a jiných výrobků, například v elektronice, která je hojně využívána i ve vojenských technologiích, se proslýchá, že alternativy k prvkům vzácných zemin zatím nejsou ani známy.

1. Křehké chování válcovaného čistého hořčíku se dvěma aktivními skluzovými systémy zobrazenými v šesterečné krystalové struktuře Mg s těsným uspořádáním (horní řada obrázků) v porovnání s tvárnou slitinou hořčíku, ve které je aktivní navíc další skluzový systém (dolní řada obrázků). Skluzové roviny jsou značené složenými závorkami { } a směry skluzu závorkami lomenými .

Převzato z [1].

Prozkoumat, zobecnit, nahradit

Ve vší obecnosti se nahrazení nějaké složky zodpovědné za konkrétní vlastnost celého materiálního systému skládá ze tří etap. Nejdříve je třeba co nejlépe a v detailu prozkoumat mechanismus, díky kterému materiál danou vlastnost vlivem konkrétní složky získává. Znalost mechanismu může vést k druhému kroku, kterým je pochopení širších souvislostí a zobecnění, umožňující rozšířit oblast hledání alternativ. V posledním kroku je pak taková alternativa nalezena (často jen s velkým štěstím).

Základem výše uvedeného procesu je paradigma materiálové vědy spojující na straně jedné chemické složení a strukturu složek systému, na straně druhé pak vlastnosti celku. Pokud bychom měli toto paradigma ilustrovat na nějakém příkladu, pak uveďme příklad poněkud extrémní, ale moc pěkný: čistý krystalický uhlík. U něj neměníme chemické složení, ale můžeme měnit strukturu. Pokud uspořádáme atomy uhlíku v prostoru do krystalické struktury diamantu, získáme jeden z nejtvrdších materiálů, kdežto uspořádání těch stejných atomů uhlíku v prostoru do krystalické struktury tuhy vytvoří jeden z nejměkčích materiálů. Souvislost mezi strukturou materiálu a jeho tvrdostí je zde zřejmá, i když detailní pochopení fyzikální podstaty této souvislosti a její matematický popis je už složitější. Ale zpět k nahrazování prvků vzácných zemin, kdy se změnám chemického složení nevyhneme.

Znění úkolu

Nejprve pár slov k motivaci. Naše civilizace se momentálně nachází na důležitém rozcestí, kde jsme se rozhodli vydat cestou k udržitelné budoucnosti. V důsledku to (mezi jiným) znamená i nahrazení mnoha existujících materiálů ekologičtějšími alternativami. Konkrétně automobilový průmysl se ještě před deseti až patnácti lety (ještě před rozhodnutím zcela přejít k elektromobilitě) snažil snižovat emise vznikající spalováním fosilních paliv snížením hmotnosti vozidel. Při zachování mnoha jiných aspektů, jako je například bezpečnost cestujících, se nejedná o jednoduchý úkol. Jednou z perspektivních alternativ k hojně používaným, ale těžkým ocelím se zdál být hořčík. Je to kov, který je při stejném objemu 4,5krát lehčí než ocel, 1,7krát lehčí než hliník a dokonce o něco málo lehčí než uhlíková vlákna. Slitiny hořčíku se tak zdály být téměř ideálním konstrukčním materiálem (pro nosné části), který by nahradil ocel. Problémem hořčíku však je jeho křehkost, tedy obtížnost jeho tvarování, aniž by popraskal. To je zásadní například pro tvarování plátů karoserií. Problém řeší prvky vzácných zemin, které už v malých koncentracích několika procent tvárnost hořčíkových slitin několikanásobně zvyšují. Otázka byla, zda je možné přísady vzácných zemin nahradit.