Gadolinium : Le métal le plus froid du monde

Gadolinium, élément 64 du tableau périodique.

Les lanthanides du tableau périodique constituent une grande famille et leurs propriétés chimiques sont très similaires les unes aux autres, il est donc difficile de les séparer.En 1789, le chimiste finlandais John Gadolin obtint un oxyde métallique et découvrit le premier oxyde de terre rare -Oxyde d'yttrium(III)grâce à l'analyse, ouvrant l'histoire de la découverte des éléments de terres rares.En 1880, le scientifique suédois Demeriak découvrit deux nouveaux éléments, dont l'un fut confirmé plus tard comme étantsamarium, et l'autre a été officiellement identifié comme un nouvel élément, le gadolinium, après avoir été purifié par le chimiste français Debuwa Bodeland.

L'élément gadolinium provient du minerai de silicium-béryllium gadolinium, qui est bon marché, de texture douce, de bonne ductilité, magnétique à température ambiante et est un élément de terre rare relativement actif.Il est relativement stable dans l'air sec, mais perd son éclat dans l'humidité, formant des flocons lâches et faciles à détacher comme des oxydes blancs.Lorsqu'il est brûlé dans l'air, il peut générer des oxydes blancs.Le gadolinium réagit lentement avec l'eau et peut se dissoudre dans l'acide pour former des sels incolores.Ses propriétés chimiques sont très similaires à celles des autres lanthanides, mais ses propriétés optiques et magnétiques sont légèrement différentes.Le gadolinium est paramagnétisme à température ambiante et ferromagnétique après refroidissement.Ses caractéristiques peuvent être utilisées pour améliorer les aimants permanents.

Grâce au paramagnétisme du gadolinium, l'agent gadolinium produit est devenu un bon agent de contraste pour la RMN.L'auto-recherche sur la technologie d'imagerie par résonance magnétique nucléaire a été lancée et six prix Nobel y sont associés.La résonance magnétique nucléaire est principalement causée par le mouvement de spin des noyaux atomiques, et le mouvement de spin des différents noyaux atomiques varie.Sur la base des ondes électromagnétiques émises par différentes atténuations dans différents environnements structurels, la position et le type de noyaux atomiques qui composent cet objet peuvent être déterminés et l'image structurelle interne de l'objet peut être dessinée.Sous l'action d'un champ magnétique, le signal de la technologie d'imagerie par résonance magnétique nucléaire provient du spin de certains noyaux atomiques, comme les noyaux d'hydrogène dans l'eau.Cependant, ces noyaux capables de spin sont chauffés dans le champ RF de résonance magnétique, semblable à un four à micro-ondes, ce qui affaiblit généralement le signal de la technologie d'imagerie par résonance magnétique.L'ion gadolinium a non seulement un moment magnétique de rotation très fort, qui favorise la rotation du noyau atomique, améliore la probabilité de reconnaissance des tissus malades, mais reste également miraculeusement au frais.Cependant, le gadolinium présente une certaine toxicité et, en médecine, des ligands chélateurs sont utilisés pour encapsuler les ions gadolinium afin de les empêcher de pénétrer dans les tissus humains.

Le gadolinium a un fort effet magnétocalorique à température ambiante et sa température varie en fonction de l'intensité du champ magnétique, ce qui soulève une application intéressante : la réfrigération magnétique.Pendant le processus de réfrigération, en raison de l'orientation du dipôle magnétique, le matériau magnétique chauffera sous un certain champ magnétique externe.Lorsque le champ magnétique est supprimé et isolé, la température du matériau diminue.Ce type de refroidissement magnétique peut réduire l'utilisation de réfrigérants tels que le fréon et refroidir rapidement.À l’heure actuelle, le monde tente de développer l’application du gadolinium et de ses alliages dans ce domaine et de produire un refroidisseur magnétique petit et efficace.Grâce à l'utilisation du gadolinium, des températures ultra-basses peuvent être atteintes, c'est pourquoi le gadolinium est également connu comme le « métal le plus froid du monde ».

Les isotopes du gadolinium Gd-155 et Gd-157 ont la plus grande section efficace d'absorption des neutrons thermiques parmi tous les isotopes naturels et peuvent utiliser une petite quantité de gadolinium pour contrôler le fonctionnement normal des réacteurs nucléaires.Ainsi sont nés les réacteurs à eau légère à base de gadolinium et les barres de contrôle au gadolinium, qui peuvent améliorer la sécurité des réacteurs nucléaires tout en réduisant les coûts.

Le gadolinium possède également d'excellentes propriétés optiques et peut être utilisé pour fabriquer des isolateurs optiques, similaires aux diodes dans les circuits, également appelées diodes électroluminescentes.Ce type de diode électroluminescente permet non seulement à la lumière de passer dans une direction, mais bloque également la réflexion des échos dans la fibre optique, garantissant ainsi la pureté de la transmission du signal optique et améliorant l'efficacité de la transmission des ondes lumineuses.Le grenat de gadolinium et de gallium est l'un des meilleurs matériaux de substrat pour la fabrication d'isolateurs optiques.