Σάββατο, 12 Νοεμβρίου 2016

Πρασεοδύμιο: προς το απόλυτο μηδέν

Πρασεοδύμιο: προς το απόλυτο μηδέν

Πρασεοδύμιο: προς το απόλυτο μηδέν

Μας βοηθά να ρίξουμε τη θερμοκρασία όσο δεν πάει, συμμετέχει στην κατασκευή κινητήρων αεροπλάνων και προβολέων, αλλά και προσφέρει προστατευτικά γυαλιά για όσους φυσάνε το... γυαλί
Οι πολυέλαιοι από φυσητό γυαλί Murano είναι πάντα εντυπωσιακοί.


  Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο πρασεοδύμιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ξεναγεί και σε μιαν άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.
Βίος και πολιτεία
Αν και το πρασεοδύμιο δεν ανήκει στους αστέρες του περιοδικού συστήματος, υπάρχουν κάποια ενδιαφέροντα στοιχεία και στο δικό του... βιογραφικό. Συνδέεται με κάτι που ονομάζεται μαγνητοθερμικό φαινόμενο, γνωστό από το 1917, και βγήκε στην επιφάνεια όταν κορυφώθηκε ο ανταγωνισμός των προχωρημένων επιστημονικών εργαστηρίων για να προσεγγίσουν στο λεγόμενο «απόλυτο μηδέν», στους -273 βαθμούς Κελσίου, και στη δημιουργία, μερικά χιλιοστά του βαθμού πιο πάνω, των υπερρευστών, μιας κατάστασης της ύλης που συμπεριφέρεται «παράλογα» θα λέγαμε, δηλαδή εντελώς διαφορετικά από ό,τι τα ρευστά, υγρά ή αέρια, όταν είναι σε θερμοκρασίες μερικούς τουλάχιστον βαθμούς πιο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Το καθένα από τα άτομα συμπεριφέρεται πιο πολύ σαν κύμα και όχι σαν να ήταν σωματίδιο, και όλα μαζί πορεύονται «κυματοειδώς» έτσι ώστε ένα υπερρευστό να διαρρέει και από τους πόρους ενός μεταλλικού δοχείου. Οταν μάλιστα άρχισε να υπάρχει η σιγουριά, γύρω στο 1995 περίπου, ότι πραγματικά μπορούν να δημιουργηθούν στο εργαστήριο αυτά τα υπερρευστά, και το πλησίασμα στο απόλυτο μηδέν απαιτούσε όλο και μεγαλύτερες προσπάθειες και πολυπλοκότερες πειραματικές διατάξεις, ώστε μόνο ιδρύματα όπως το ΜΙΤ και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο μπορούσαν να φθάνουν στα χιλιοστά του βαθμού πριν από τους -273,15  βαθμούς Κελσίου, οι ερευνητές ψάχτηκαν πολύ. Εκεί λοιπόν, παλεύοντας και για τα ψίχουλα, στα 0,3 του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, εκτός από την υπερμοντέρνα ψύξη με ακτίνες λέιζερ χρησιμοποιήθηκε μια παλιά γνώση, για την αδιαβατική απομαγνήτιση που προκαλεί ψύξη. Στα βιβλία αναφέρεται ως μαγνητοθερμικό φαινόμενο (Magnetocaloric Effect) και ήταν παρατηρημένο ήδη από το 1917. Ενα κατάλληλο υλικό μαγνητίζεται και στη συνέχεια περνάει από μια περιοχή όπου κατά ένα ποσοστό απομαγνητίζεται αδιαβατικά, δηλαδή χωρίς να γίνει ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον χάρη στην εξαιρετική μόνωση που του εξασφαλίζεται. Τότε τα άτομα, σαν να έμειναν ξαφνικά πιο ελεύθερα, αρχίζουν να παίρνουν διάφορους προσανατολισμούς, αντλώντας ενέργεια από το εσωτερικό του υλικού (κατά μικρές ποσότητες που είναι γνωστές ως φωνόνια). Αυτό όμως, όπως είναι λογικό, έχει ως αποτέλεσμα το να χάνει ενέργεια το υλικό, άρα να ψύχεται. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται, οδηγώντας το σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Και ένα από τα πιο κατάλληλα υλικά για αυτό μέσα στα χρόνια αποδείχθηκε πως είναι ένα κράμα νικελίου και πρασεοδυμίου (PrNi5), που επέτρεψε να φθάσουν και στο χιλιοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Γιατί το είπαν έτσι
Δύο λέξεις με ελληνική ρίζα επιστρατεύθηκαν για να δοθεί όνομα σε ένα στοιχείο που παίδεψε αρκετά τους ερευνητές ώσπου να εμφανιστεί. Με κάποια διάθεση για αστεία σχολιάστηκε ότι ο σουηδός χημικός Καρλ Μουσάντερ (1797-1858), αναγγέλλοντας το 1841την εύρεση ενός «στοιχείου» από δείγματα ορυκτών με το όνομα ceria, το ονόμασε διδύμιο διότι η σύζυγός του είχε φέρει στον κόσμο δύο φορές δίδυμα. Ισως υπήρχε και κάποια ειρωνεία σε αυτό σχετικά με το ότι εκεί μέσα, σε ό,τι νόμιζε πως ήταν ένα ή δύο στοιχεία στο δείγμα, βρέθηκαν περισσότερα. Η αλήθεια είναι ότι ο ίδιος ο Μουσάντερ κατάφερε και ξεχώρισε δύο, το λανθάνιο και το «διδύμιο». Και η πλάνη αυτή με το διδύμιο είχε διάρκεια λίγο περισσότερο από 40 χρόνια. Ωσπου ο Αυστριακός Καρλ Αουερ, ο οποίος αργότερα απέκτησε και τον τίτλο του βαρόνου του Βάισμπαχ, πηγαίνοντας στη Χαϊδελβέργη να εργαστεί δίπλα στον διάσημο τότε (από τον λύχνο αερίου) Ρόμπερτ Μπούνσεν, μεγάλο δάσκαλο των χημικών της εποχής, υποχρεώθηκε ακριβώς από τον δάσκαλο αυτόν να ψάξει ξανά τα παλιά δείγματα διδυμίου και ανακοίνωσε τον Ιούνιο του  1885 στην Ακαδημία Επιστημών της Βιέννης ότι το αποτελούσαν δύο άλλα στοιχεία, το νεοδύμιο και το πρασεοδύμιο. Οπου το τελευταίο αυτό ως προς το όνομά του φτιάχτηκε από δύο λέξεις με ελληνική ρίζα, τις λέξεις «δίδυμος» και «πράσινο» (που είναι αγνώστου καταγωγής στα ελληνικά), διότι το οξείδιό του όταν θερμαινόταν εξέπεμπε ακτινοβολία στην περιοχή μεταξύ του πρασίνου και του κιτρίνου.
Μόλις το 1931 κατάφεραν να πάρουν πρασεοδύμιο σε καθαρή μορφή.
Αριθμοί κυκλοφορίας
Ατομικός αριθμός:        59
Ατομικό βάρος:            140,9
Σημείο τήξης:              931οC
Σημείο ζέσης:               3.510οC
Πυκνότητα:           6,8 gr/cm3
Αριθμός ισοτόπων:       39
Τι θέλει από τη ζωή μας
Πρόκειται για ένα μαλακό και εύκολα οξειδούμενο μέταλλο που μπαίνει στον οργανισμό σε ποσότητες όχι μεγαλύτερες από μερικά χιλιοστά του γραμμαρίου κάθε χρόνο και μπορεί να υπάρχει η αντίληψη ότι ενισχύει τον μεταβολισμό, αλλά προς το παρόν δεν έχει γίνει κάποια εκμετάλλευση αυτής της παρατήρησης.
Πόλεμος και ειρήνη
Το πρασεοδύμιο, αντίθετα από ό,τι θα πίστευε κάποιος άσχετος με το θέμα, δεν είναι και τόσο σπάνιο (ο ψευδάργυρος, για παράδειγμα, είναι σπανιότερος) αλλά βρίσκεται μαζί με άλλα στοιχεία της οικογένειας των λανθανιδών στα ορυκτά μοναζίτης και μπαστνεσίτης, με κύριες χώρες παραγωγής την Κίνα, τις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ινδία, την Αυστραλία, τη Βραζιλία, τη Γροιλανδία. Από τη βιομηχανική επεξεργασία των ορυκτών προκύπτει το οξείδιο του στοιχείου αυτού, με την ετήσια ποσότητα παραγωγής να ανέρχεται σε περίπου 6.000 τόνους.
Μαζί με το μαγνήσιο δίνει ένα κράμα που χάρη στην αντοχή του χρησιμοποιείται στους κινητήρες των αεροπλάνων. Θα το βρούμε όμως και στους προβολείς που χρησιμοποιούνται όταν χρειάζεται δυνατό φως κατά τη διάρκεια γυρίσματος ταινιών, με τη μορφή καθαρού μετάλλου. Δίνει στα υαλώματα της κεραμικής το κίτρινο χρώμα, ενώ στις ψεύτικες πέτρες από κρύσταλλο που ονομάζεται κυβική ζιρκονία η πρόσμειξή του δίνει κιτρινοπράσινες ανταύγειες.
Μία από τις πιο χαρακτηριστικές εφαρμογές είναι στα γυαλιά προστασίας από την έντονη λάμψη ανθρώπων που ασχολούνται με τις οξυγονοκολλήσεις και το φύσημα του γυαλιού.  
Μια πιο σύγχρονη εφαρμογή των ιδιοτήτων του στοιχείου αυτού και της οικογένειας των λανθανιδών γενικότερα έχουμε στους ενισχυτές με οπτικές ίνες. Δηλαδή λεπτότατα νήματα με έναν κεντρικό αγωγό από γυαλί ντοπαρισμένο με κάποιο στοιχείο από την ομάδα των λανθανιδών και στην περίπτωσή μας με πρασεοδύμιο, περιβαλλόμενο από γυαλί με χαμηλό δείκτη διαθλάσεως και ένα εξωτερικό προστατευτικό κάλυμμα από πλαστικό πολυμερές. Ρίχνοντας φως στον ντοπαρισμένο κεντρικό αγωγό διεγείρονται τα άτομά του που ανήκουν στο πρασεοδύμιο και επιστρέφοντας στην αρχική κατάσταση εκπέμπεται φως συγκεκριμένου μήκους κύματος. Αυτό μαζί με απόλυτα συγκεντρωμένο οπτικό σήμα από ένα ή δύο λέιζερ συμπορεύεται μέσα από οπτική ίνα ως τον επόμενο σταθμό.
Απορίες λογικές και μη
Οποιος ανακατεύεται με τις φωτιές πρέπει να έχει γυαλιά με πρασεοδύμιο;
Κατ' αρχάς υπάρχουν φωτιές και φωτιές. Αλλη είναι η φωτιά του ηλεκτροσυγκολλητή και άλλη η φωτιά του υαλουργού. Τα προστατευτικά γυαλιά που προσφέρονται για όποιον φυσάει το γυαλί (αν και υπάρχουν πολλά βίντεο όπου οι μεγάλοι καλλιτέχνες στις επιδείξεις που διοργανώνουν οι διάφορες εταιρείες, κακώς βέβαια, δεν φορούν τίποτε) περιέχουν διδύμιο, δηλαδή το μείγμα ενός οξειδίου του πρασεοδυμίου με νεοδύμιο. Εχει συζητηθεί αν και όσοι ασχολούνται με την κεραμική ή τη συγκόλληση μετάλλων πρέπει να φορούν τα ίδια γυαλιά. Το γυαλί ως υλικό όταν θερμαίνεται, επειδή περιέχει νάτριο, εκπέμπει κίτρινη ακτινοβολία με μήκος κύματος στα 589 νανόμετρα, το γνωστό και σαν yellow flare. Αυτό συμπίπτει με την ικανότητα του πρασεοδυμίου να μην αφήνει να περάσουν οι ακτίνες σε αυτό το μήκος κύματος, επειδή απορροφά ακτινοβολίες που έχουν περίπου το ίδιο μήκος κύματος. Ετσι η βλαβερή κίτρινη ακτίνα δεν φθάνει στο μάτι, αλλά περνούν ανεμπόδιστα οι ακτίνες γύρω από αυτήν, οπότε δεν δυσκολεύεται η όραση του τεχνίτη. Αντίστοιχη κίτρινη ακτίνα εκπέμπεται και κατά τη συγκόλληση αλουμινίου, αλλά εκεί, επειδή υπάρχει μαζί και εκπομπή υπέρυθρης ακτινοβολίας, πρέπει να χρησιμοποιούνται γυαλιά που κόβουν ακτινοβολίες με μήκη κύματος στην περιοχή του υπερύθρου. Τέλος στην ηλεκτροσυγκόλληση, όπου υπάρχει εκπομπή και υπεριωδών ακτίνων, πρέπει η προστασία να είναι ανάλογη και εκεί τα γυαλιά που έχουν μόνο διδύμιο παρέχουν προστασία μόνο γύρω στο 80%.http://www.tovima.gr