Gadolinium: Das kälteste Metall der Welt

Gadolinium, Element 64 des Periodensystems.

Lanthanide im Periodensystem sind eine große Familie und ihre chemischen Eigenschaften sind einander sehr ähnlich, sodass es schwierig ist, sie zu trennen.Im Jahr 1789 erhielt der finnische Chemiker John Gadolin ein Metalloxid und entdeckte das erste Seltenerdoxid –Yttrium(III)-oxidDurch Analyse wird die Entdeckungsgeschichte der Seltenerdelemente eröffnet.Im Jahr 1880 entdeckte der schwedische Wissenschaftler Demeriak zwei neue Elemente, von denen eines später bestätigt wurdeSamarium, und das andere wurde offiziell als neues Element, Gadolinium, identifiziert, nachdem es vom französischen Chemiker Debuwa Bodeland gereinigt wurde.

Das Gadolinium-Element stammt aus Silizium-Beryllium-Gadolinium-Erz, das günstig ist, eine weiche Textur hat, eine gute Duktilität aufweist, bei Raumtemperatur magnetisch ist und ein relativ aktives Seltenerdelement ist.Es ist in trockener Luft relativ stabil, verliert jedoch bei Feuchtigkeit seinen Glanz und bildet lose und leicht ablösbare flockenartige weiße Oxide.Beim Verbrennen an der Luft können weiße Oxide entstehen.Gadolinium reagiert langsam mit Wasser und kann sich in Säure unter Bildung farbloser Salze lösen.Seine chemischen Eigenschaften sind denen anderer Lanthanoide sehr ähnlich, seine optischen und magnetischen Eigenschaften unterscheiden sich jedoch geringfügig.Gadolinium ist bei Raumtemperatur paramagnetisch und nach dem Abkühlen ferromagnetisch.Seine Eigenschaften können zur Verbesserung von Permanentmagneten genutzt werden.

Durch den Paramagnetismus von Gadolinium ist das hergestellte Gadoliniummittel zu einem guten Kontrastmittel für die NMR geworden.Die Eigenforschung der Kernspinresonanz-Bildgebungstechnologie wurde begonnen und es wurden 6 Nobelpreise dafür vergeben.Kernspinresonanz wird hauptsächlich durch die Spinbewegung von Atomkernen verursacht, und die Spinbewegung verschiedener Atomkerne variiert.Basierend auf den elektromagnetischen Wellen, die durch unterschiedliche Dämpfung in verschiedenen strukturellen Umgebungen emittiert werden, können die Position und Art der Atomkerne, aus denen dieses Objekt besteht, bestimmt und das interne Strukturbild des Objekts gezeichnet werden.Unter Einwirkung eines Magnetfeldes entsteht das Signal der Kernspintomographie aus dem Spin bestimmter Atomkerne, beispielsweise Wasserstoffkernen in Wasser.Allerdings werden diese spinfähigen Kerne im HF-Feld der Magnetresonanz ähnlich wie in einem Mikrowellenherd erhitzt, was typischerweise das Signal der Magnetresonanztomographie-Technologie schwächt.Gadolinium-Ionen haben nicht nur ein sehr starkes magnetisches Spinmoment, das den Spin des Atomkerns unterstützt, die Erkennungswahrscheinlichkeit von erkranktem Gewebe verbessert, sondern auch auf wundersame Weise kühl hält.Allerdings weist Gadolinium eine gewisse Toxizität auf, und in der Medizin werden Chelatliganden verwendet, um Gadoliniumionen einzukapseln und so zu verhindern, dass sie in menschliches Gewebe gelangen.

Gadolinium hat bei Raumtemperatur eine starke magnetokalorische Wirkung und seine Temperatur variiert mit der Intensität des Magnetfelds, was eine interessante Anwendung eröffnet – die magnetische Kühlung.Während des Abkühlungsprozesses erwärmt sich das magnetische Material aufgrund der Ausrichtung des magnetischen Dipols unter einem bestimmten externen Magnetfeld.Wenn das Magnetfeld entfernt und isoliert wird, sinkt die Materialtemperatur.Diese Art der magnetischen Kühlung kann den Einsatz von Kältemitteln wie Freon reduzieren und eine schnelle Abkühlung ermöglichen.Derzeit wird weltweit versucht, die Anwendung von Gadolinium und seinen Legierungen in diesem Bereich zu entwickeln und einen kleinen und effizienten magnetischen Kühler herzustellen.Durch den Einsatz von Gadolinium können extrem niedrige Temperaturen erreicht werden, weshalb Gadolinium auch als „kältestes Metall der Welt“ bezeichnet wird.

Die Gadolinium-Isotope Gd-155 und Gd-157 haben den größten Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen unter allen natürlichen Isotopen und können eine kleine Menge Gadolinium zur Steuerung des normalen Betriebs von Kernreaktoren verwenden.So entstanden Gadolinium-basierte Leichtwasserreaktoren und Gadolinium-Steuerstäbe, die die Sicherheit von Kernreaktoren verbessern und gleichzeitig die Kosten senken können.

Gadolinium verfügt außerdem über hervorragende optische Eigenschaften und kann zur Herstellung optischer Isolatoren verwendet werden, ähnlich den Dioden in Schaltkreisen, auch Leuchtdioden genannt.Diese Art von Leuchtdiode ermöglicht nicht nur den Durchgang von Licht in eine Richtung, sondern blockiert auch die Reflexion von Echos in der optischen Faser, wodurch die Reinheit der optischen Signalübertragung gewährleistet und die Übertragungseffizienz von Lichtwellen verbessert wird.Gadolinium-Gallium-Granat ist eines der besten Substratmaterialien für die Herstellung optischer Isolatoren.