Unsur Tanah Jarang : Sifat, Karakteristik, Manfaat dan Potensinya untuk Bawa Teknologi Lebih Modern

Simbol unsur-unsur tanah jarang yang akan membawa teknologi ke arah lebih maju dan modern lagi. Sumber gambar: ThoughtCo

Dalam opera ruang angkasa Frank Herbert Dune, zat alami berharga yang disebut rempah-rempah melange memberi orang kemampuan untuk menjelajahi bentangan luas kosmos untuk membangun peradaban intergalaksi.

Dalam kehidupan nyata di Bumi ini, sekelompok logam alami yang dikenal sebagai tanah jarang telah memungkinkan masyarakat kita yang didukung oleh teknologi. Permintaan komponen penting ini di hampir semua elektronik modern meroket.

Tanah jarang memenuhi ribuan kebutuhan yang berbeda — cerium, misalnya, digunakan sebagai katalis untuk memurnikan minyak bumi, dan gadolinium menangkap neutron dalam reaktor nuklir. Tetapi kemampuan paling menonjol dari elemen-elemen ini terletak pada pendaran dan daya tariknya.

Kami mengandalkan tanah jarang untuk mewarnai layar ponsel cerdas kami, berpendar untuk menandakan keaslian uang kertas euro, dan menyampaikan sinyal melalui kabel serat optik melintasi dasar laut. Mereka juga penting untuk membangun beberapa magnet terkuat dan paling andal di dunia. 

Mereka menghasilkan gelombang suara di headphone Anda, meningkatkan informasi digital melalui ruang angkasa, dan menggeser lintasan misil pencari panas. Tanah jarang juga mendorong pertumbuhan teknologi hijau, seperti energi angin dan kendaraan listrik, dan bahkan dapat memunculkan komponen baru untuk komputer kuantum.

“Daftarnya terus bertambah,” kata Stephen Boyd, ahli kimia sintetik dan konsultan independen. "Mereka ada di mana-mana."

Kekuatan super bumi langka berasal dari elektronnya

Tanah jarang adalah lantanida — lutetium dan semua 14 elemen antara lantanum dan ytterbium di satu baris tabel periodik — ditambah skandium dan itrium, yang cenderung terjadi pada endapan bijih yang sama dan memiliki sifat kimia yang mirip dengan lantanida. Logam abu-abu hingga keperakan ini sering kali mudah dibentuk dengan titik leleh dan titik didih yang tinggi.

Kekuatan rahasia mereka terletak pada elektron mereka. Semua atom memiliki inti yang dikelilingi oleh elektron, yang menghuni zona yang disebut orbital. Elektron dalam orbital terjauh dari nukleus adalah elektron valensi, yang berpartisipasi dalam reaksi kimia dan membentuk ikatan dengan atom lain.

Kebanyakan lantanida memiliki kumpulan elektron penting lainnya yang disebut "elektron-f", yang berada di zona Goldilocks yang terletak di dekat elektron valensi tetapi sedikit lebih dekat ke nukleus. “Elektron-f inilah yang bertanggung jawab atas sifat magnetik dan pendaran unsur tanah jarang,” kata Ana de Bettencourt-Dias, ahli kimia anorganik di University of Nevada, Reno.

Tempatkan di tabel periodik

Tanah jarang adalah sekelompok 17 elemen (disorot dengan warna biru pada tabel periodik). Subkumpulan tanah jarang yang dikenal sebagai lantanida (lutetium, Lu, ditambah baris yang dimulai dengan lantanum, La) masing-masing berisi subkulit yang biasanya menampung elektron-f, yang memberikan unsur-unsur tersebut dengan sifat magnetik dan pendar.

Tabel periodik, sumber: E. Otwell

Tanah jarang menambah warna dan cahaya

Di sepanjang beberapa pantai, laut malam kadang-kadang bersinar hijau kebiruan saat plankton bioluminescent berdesak-desakan di ombak. Logam tanah jarang juga memancarkan cahaya saat distimulasi. Triknya adalah menggelitik elektron-f mereka, kata de Bettencourt-Dias.

Dengan menggunakan sumber energi seperti laser atau lampu, para ilmuwan dan insinyur dapat menyentak salah satu elektron f dari tanah jarang menjadi keadaan tereksitasi dan kemudian membiarkannya jatuh kembali ke keadaan lesu, atau keadaan dasarnya. "Ketika lantanida kembali ke keadaan dasar," katanya, "mereka memancarkan cahaya."

Setiap tanah jarang secara andal memancarkan panjang gelombang cahaya yang tepat saat bersemangat, kata de Bettencourt-Dias. Presisi yang dapat diandalkan ini memungkinkan para insinyur untuk menyetel radiasi elektromagnetik dengan hati-hati di banyak perangkat elektronik. 

Terbium, misalnya, memancarkan cahaya pada panjang gelombang sekitar 545 nanometer, membuatnya bagus untuk membuat fosfor hijau di layar televisi, komputer, dan ponsel cerdas. Europium, yang memiliki dua bentuk umum, digunakan untuk membuat fosfor merah dan biru. Secara keseluruhan, fosfor ini dapat mewarnai layar dengan sebagian besar warna pelangi.

Tanah jarang juga memancarkan cahaya tak terlihat yang berguna. Yttrium adalah bahan utama dalam yttrium-aluminium-garnet, atau YAG, kristal sintetis yang membentuk inti dari banyak laser bertenaga tinggi. Insinyur menyetel panjang gelombang laser ini dengan mengikat kristal YAG dengan tanah jarang lainnya. 

Varietas yang paling populer adalah laser YAG bertali neodymium, yang digunakan untuk segala hal mulai dari mengiris baja hingga menghilangkan tato hingga pencarian jangkauan laser. Sinar laser Erbium-YAG adalah pilihan yang baik untuk operasi invasif minimal karena mudah diserap oleh air dalam daging sehingga tidak akan mengiris terlalu dalam.

Di luar laser, lantanum sangat penting untuk membuat kaca penyerap inframerah pada kacamata night vision. “Dan erbium menggerakkan internet kita,” kata Tian Zhong, seorang insinyur molekuler di University of Chicago. Sebagian besar informasi digital kami berjalan melalui serat optik sebagai cahaya dengan panjang gelombang sekitar 1.550 nanometer — panjang gelombang yang dipancarkan erbium yang sama. Sinyal dalam kabel serat optik meredup saat bergerak jauh dari sumbernya. Karena kabel tersebut dapat membentang ribuan kilometer melintasi dasar laut, erbium ditambahkan ke serat untuk meningkatkan sinyal.

Tanah jarang membuat magnet yang kuat

Pada tahun 1945, para ilmuwan membangun ENIAC, komputer digital serba guna pertama di dunia yang dapat diprogram ( SN: 2/23/46, p. 118 ). Dijuluki "Otak Raksasa", ENIAC memiliki berat lebih dari empat gajah dan memiliki tapak kaki kira-kira dua pertiga ukuran lapangan tenis.

Kurang dari 80 tahun kemudian, smartphone yang ada di mana-mana — dengan daya komputasi yang jauh lebih besar daripada ENIAC — pas di telapak tangan kita. Masyarakat berutang miniaturisasi teknologi elektronik ini sebagian besar karena kekuatan magnet luar biasa dari tanah jarang. Magnet tanah jarang yang kecil dapat melakukan pekerjaan yang sama seperti magnet yang lebih besar yang dibuat tanpa tanah jarang.

Elektron-f itulah yang berperan. Tanah jarang memiliki banyak orbital elektron, tetapi elektron-f menghuni kelompok tujuh orbital tertentu yang disebut subkulit 4f. Dalam setiap subkulit, elektron mencoba untuk menyebar di antara orbital di dalamnya. Setiap orbital dapat menampung hingga dua elektron. 

Tetapi karena subkulit 4f berisi tujuh orbital, dan sebagian besar tanah jarang mengandung kurang dari 14 elektron f, unsur-unsur tersebut cenderung memiliki banyak orbital dengan hanya satu elektron. Atom neodymium, misalnya, memiliki empat penyendiri ini, sementara disprosium dan samarium memiliki lima. Yang terpenting, elektron tak berpasangan ini cenderung menunjuk — atau berputar — ke arah yang sama, kata Boyd. “Itulah yang menciptakan kutub utara dan selatan yang secara klasik kita pahami sebagai magnetisme.”

Karena satu-satunya elektron-f ini berkelebat di balik cangkang elektron valensi, putaran sinkronnya agak terlindung dari gaya demagnetisasi seperti panas dan medan magnet lainnya, membuatnya bagus untuk membangun magnet permanen, kata Zhong. 

Magnet permanen, seperti yang menahan gambar di pintu lemari es, secara pasif menghasilkan medan magnet yang muncul dari struktur atomnya, tidak seperti elektromagnet, yang memerlukan arus listrik dan dapat dimatikan.

Tetapi bahkan dengan pelindungnya, tanah jarang memiliki batas. Neodymium murni, misalnya, mudah terkorosi dan patah, dan tarikan magnetnya mulai kehilangan kekuatannya di atas 80° Celcius. Jadi pabrikan memadukan beberapa tanah jarang dengan logam lain untuk membuat magnet yang lebih tangguh, kata Durga Paudyal, fisikawan teoretis di Ames National Laboratory di Iowa. 

Ini bekerja dengan baik karena beberapa tanah jarang dapat mengatur medan magnet logam lain, katanya. Sama seperti dadu berbobot yang akan mendarat di satu sisi, beberapa tanah jarang seperti neodymium dan samarium menunjukkan magnet yang lebih kuat di arah tertentu karena mengandung orbital yang terisi tidak merata di subkulit 4fnya. Arah ini, disebut anisotropi magnetik, dapat dimanfaatkan untuk mengoordinasikan bidang logam lain seperti besi atau kobalt untuk merumuskan magnet yang kuat dan sangat kuat.

Magnet paduan tanah jarang yang paling kuat adalah magnet neodymium-besi-boron. Magnet paduan neodymium tiga kilogram dapat mengangkat benda yang beratnya lebih dari 300 kilogram, misalnya. Lebih dari 95 persen magnet permanen dunia dibuat dari paduan tanah jarang ini. 

Magnet neodymium-iron-boron menghasilkan getaran di ponsel cerdas, menghasilkan suara di earbud dan headphone, mengaktifkan pembacaan dan penulisan data di hard disk drive, dan menghasilkan medan magnet yang digunakan di mesin MRI. Dan menambahkan sedikit disprosium ke magnet ini dapat meningkatkan ketahanan panas paduan, menjadikannya pilihan yang baik untuk rotor yang berputar di interior panas dari banyak motor kendaraan listrik.

Magnet samarium-kobalt, yang dikembangkan pada tahun 1960-an, adalah magnet tanah jarang pertama yang populer. Meskipun sedikit lebih lemah dari magnet neodymium-besi-boron, magnet samarium-kobalt memiliki ketahanan panas dan korosi yang unggul, sehingga dapat digunakan di motor berkecepatan tinggi, generator, sensor kecepatan di mobil dan pesawat terbang, dan di bagian yang bergerak dari beberapa misil pencari panas. 

Magnet Samarium-kobalt juga membentuk jantung dari sebagian besar tabung gelombang perjalanan, yang meningkatkan sinyal dari sistem radar dan satelit komunikasi. Beberapa tabung ini mentransmisikan data dari pesawat ruang angkasa Voyager 1 — yang saat ini merupakan objek buatan manusia terjauh — berjarak lebih dari 23 miliar kilometer ( SN: 7/31/21, hlm. 18 ).

Karena kuat dan andal, magnet tanah jarang mendukung teknologi hijau. Mereka ada di motor, drivetrain, power steering, dan banyak komponen kendaraan listrik lainnya. Penggunaan magnet paduan neodymium Tesla pada kendaraan Model 3 dengan jangkauan terjauh telah memicu kekhawatiran rantai pasokan; China menyediakan sebagian besar neodymium dunia ( SN: 1/11/23 ).

Magnet tanah jarang juga digunakan di banyak turbin angin lepas pantai untuk menggantikan kotak roda gigi, yang meningkatkan efisiensi dan mengurangi pemeliharaan. Pada bulan Agustus, para insinyur China memperkenalkan “Pelangi”, jalur kereta maglev pertama di dunia berdasarkan magnet tanah jarang yang memungkinkan kereta mengapung tanpa mengonsumsi listrik.

Di masa depan, tanah jarang bahkan dapat memajukan komputasi kuantum. Sementara komputer konvensional menggunakan bit biner (1 dan 0), komputer kuantum menggunakan qubit, yang dapat menempati dua status secara bersamaan. Ternyata, kristal yang mengandung tanah jarang menghasilkan qubit yang baik, karena elektron-f yang terlindung dapat menyimpan informasi kuantum untuk jangka waktu yang lama, kata Zhong. 

Suatu hari, ilmuwan komputer bahkan mungkin memanfaatkan sifat luminescent tanah jarang dalam qubit untuk berbagi informasi antara komputer kuantum dan melahirkan internet kuantum, katanya.

Mungkin terlalu dini untuk memprediksi dengan tepat bagaimana logam tanah jarang akan terus mempengaruhi perluasan teknologi yang berkembang ini. Tapi mungkin aman untuk mengatakan: Kita akan membutuhkan lebih banyak tanah jarang.