Mengapa logam tanah jarang penting untuk elektronik?

Saya telah mendengar banyak di media tentang betapa pentingnya logam tanah jarang (dari sudut pandang ekonomi China membatasi ekspor mereka), tetapi apa yang sebenarnya dilakukan beberapa dari mereka yang membuat mereka sangat penting sehingga tidak dapat dilakukan dengan lebih banyak elemen umum seperti silikon, emas, tembaga, aluminium, germanium, dll? Tampaknya semua blok bangunan komputer digital seperti transistor dapat dibuat tanpa mereka, jadi mengapa semua repot?

Saya telah menggali sedikit untuk artikel, tetapi semua itu ditulis untuk masyarakat umum dan hanya menyebutkan nama perangkat apa yang memerlukan tanah jarang daripada komponen yang sebenarnya.

Meskipun tantalum bukan salah satu dari tanah jarang - ia adalah salah satu "logam transisi", seperti kelangkaan tantalum emas (1 atau 2 ppm kerak bumi) dan penggunaan utama dalam elektronik (kapasitor tantalum) cocok dengan ruang lingkup pertanyaan ini.

Undang-undang terbaru di AS (Juli, 2010) mewajibkan perusahaan untuk mengungkapkan jika mereka menggunakan produk dengan tantalum yang diperoleh dari Republik Demokratik Kongo (DRC). Akibatnya, harga telah meningkat tajam karena produsen lain perlahan-lahan kembali online. Satu tambang di Australia mewakili 1/3 potensi produksi dunia global.

(Catatan: skala vertikal grafik tidak dimulai dari nol, ini memberikan tampilan yang agak terdistorsi. Grafik ukuran penuh ada di sini )

Karena kapasitor elektrolit tantalum dapat jauh lebih kecil dari kapasitor elektrolit aluminium dengan kapasitas yang sama, dan memiliki peringkat tegangan yang lebih tinggi, mereka digunakan di hampir semua telepon seluler, dan di peralatan elektronik portabel lainnya.

Saya mendesain dalam beberapa 1000 μF "tants" menjadi sebuah produk beberapa tahun yang lalu, dan baru-baru ini pabrikan kontrak menghubungi kami dengan mengatakan bahwa waktu tunggu komponen telah mencapai 16 minggu dan bertanya apakah saya dapat menemukan pengganti. Sebagai hasil dari latihan ini, dalam desain terbaru saya, saya kembali ke permukaan-mount kapasitor elektrolit aluminium, meskipun ada penalti ruang yang signifikan.

Lihatlah apa yang sebenarnya ada dalam sirkuit terintegrasi, termasuk kemasannya. Silikon itu sendiri berlimpah (mahal untuk disempurnakan dengan kemurnian tinggi dan struktur kristal yang baik, tetapi masih berlimpah), tetapi bagaimana dengan elemen doping yang digunakan untuk membuat semikonduktor P dan N? Bagaimana dengan LED? Itu biasanya bukan silikon dan sering mengandung galium, misalnya. Bagaimana dengan keramik khusus yang digunakan dalam semikonduktor yang perlu memiliki sifat termal yang sangat cocok dengan silikon? Lihatlah keramik yang terbuat dari berbagai macam kapasitor keramik.

Ada lebih banyak bahan untuk elektronik daripada tembaga dan silikon.

Ini belum tentu chip silikon yang sedang mereka bicarakan. Tantalum masuk ke kapasitor, timah menjadi solder, lithium menjadi baterai. Neodymium menggunakan magnet kecil yang sangat kuat yang menahan penutup iPad Anda atau adaptor dinding ke MacBook Anda.

Berbagai komponen ini dalam banyak kasus sudah dibuat dari unsur-unsur yang lebih banyak di masa lalu, tetapi terobosan ilmu material memungkinkan perbaikan besar bahwa dalam beberapa produk (relatif mahal) adalah dan sepadan dengan biaya bahan tambahan. Bandingkan ponsel "bata" Motorola dari tahun 1980-an dengan iPhone dan bukan hanya chip yang meningkat secara dramatis. Magnet dapat dibuat dari besi, baterai dapat dibuat dari timah, kapasitor dapat terbuat dari aluminium. Hanya saja perangkat-perangkat itu secara dramatis lebih besar, lebih berat, atau lebih buruk daripada rekan-rekan mereka yang lebih modern.

Akhir-akhir ini semakin dipertanyakan apakah ini sebanding dengan biaya manusia, nyawa yang hilang akibat perang dan perbudakan di sekitar tambang Kongo yang menjadi sumber tantalum, timah, dan tungsten. Pertanyaan lain adalah apa yang akan terjadi ketika China, yang memasok sebagian besar pasokan unsur-unsur tanah jarang di dunia seperti neodymium, mengurangi ekspor untuk menambah kapasitas produksinya sendiri. (Jawab: Molycorp membuka kembali tambang tua di California.)

Ini adalah argumen yang sebanding dengan apakah mengendarai mobil yang ditenagai minyak itu tidak bermoral ketika orang-orang berperang demi minyak. Masalahnya bukan pada minyak yang langka saat ini karena distribusinya yang berkelompok di planet ini membuat pemusatan kekayaan dengan memonopoli produksi lebih mudah daripada jika didistribusikan lebih merata. Tentu saja kita bisa membayangkan persediaan mengering dalam beberapa dekade, tapi itu sedikit lebih jauh daripada 5-15 tahun kebanyakan orang akan mempertahankan mobil mereka berikutnya. Anda dapat memberi daya pada mobil dengan mesin uap berbahan bakar batu bara, atau pembangkit listrik berbahan bakar batu bara yang mengisi baterai, atau panel surya mengisi baterai, tetapi bensin memiliki campuran fitur dan harga terbaik saat ini sejauh sebagian besar pelanggan yang membayar prihatin. Masih harus dilihat apakah sebagian besar umat manusia akan melepaskan bensin untuk mobil listrik sebelum harganya lebih murah.

Ini tidak selalu berarti bahwa segala sesuatu pasti akan menjadi lebih baik. Baterai dapat dibuat dari elemen lain yang urutan besarnya lebih banyak, seperti besi dan natrium, tetapi baterai tersebut mungkin tidak pernah memiliki energi per berat baterai lithium. Mungkin saja dalam beberapa abad, setelah minyak, batu bara, litium, dll. Ditambang, orang akan mengendarai mobil yang memiliki jangkauan jauh lebih sedikit daripada yang mereka lakukan hari ini, tetapi pengisian ulang itu cukup cepat sehingga tidak terlalu penting. Di sisi lain, sesuatu yang jauh lebih baik mungkin muncul, atau siapa tahu, mungkin kita semua akan menjadi konferensi video saat itu.

Ada ilmuwan yang mengerjakan masalah ini, tetapi ilmu material adalah bidang yang lambat. Sangat sulit jika bukan tidak mungkin untuk memodelkan sifat makroskopis dari bahan baru di komputer. Kemajuan pada dasarnya datang melalui trial and error yang berpendidikan. Bahkan sekali suatu materi baru dipahami dengan baik, model teoretis dan pengujian eksperimental mungkin tidak sejajar dengan sempurna. Mencoba meramu bahan-bahan baru dari daftar keinginan yang diinginkan bisa memakan waktu puluhan tahun.

Yah, ada banyak masalah perdagangan di sekitar semua ini. Bahkan, Anda membutuhkan sangat sedikit bahan tanah jarang di elektronik konsumen (mikro) modern. Beberapa elektronik memang sangat bergantung pada mereka (seperti beberapa kali laser dan LED), tetapi mereka hampir tidak mengkonsumsi sejumlah besar produksi dunia. Juga, penggunaan penting adalah untuk magnet permanen.

Pengguna utama tanah jarang adalah jenis baja khusus dan bahan lain yang digunakan di ruang / militer / daerah nuklir (dan jelas tidak ada yang akan mengungkapkan berapa banyak yang digunakan di sana per negara).

Juga, lihat di sini: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Mengapa logam tanah jarang penting untuk elektronik?

Karena sifat yang sama bernama "ukuran ionik" membuat logam ini menjadi:

• luar biasa bijaksana secara listrik
• dan secara geologis jarang (yang memberi mereka nama)

Beberapa nilai rasio ukuran ionik khusus dengan massa atom untuk masing-masing elemen ini akan membuat mereka sulit berkonsentrasi di alam dan terpisah secara kimia. Rasio yang sama menyebabkan sifat-sifat seperti feroelektrik, feromagnetisme, konstanta dielektrik yang tinggi dari oksida, dll. Lebih unggul dari unsur-unsur lain yang lebih jarang dengan ukuran ion yang berbeda.

Tingginya biaya elemen langka memiliki penyebab alami. Catatan: Elemen terlangka dan termahal dalam elektronik adalah "unobtanium" dan "unaffordium".