Названия «редкие металлы», «редкие элементы», «редкоземельные элементы» не совсем удачны - их содержание в земной коре в среднем сопоставимо или даже выше, чем содержание большинства широко используемых металлов. Таких редких металлов, как скандий, церий, лантан, литий, иттрий, ниобий, галлий, в земной коре содержится примерно столько же, сколько хрома, цинка, никеля, меди и свинца, а стронция, циркония, рубидия - гораздо больше. Редкие металлы находятся на вершине пирамиды распространенности химических элементов в поверхностном слое земной коры. Долгое время не находившие широкого применения они сегодня оказались на острие передовых технологий производства современных перспективных материалов. С их применением связаны новые области промышленности, науки и техники: гелиоэнергетика, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, компьютеры и т. п.

Приведем примеры практического применения материалов, содержащих редкие металлы. Низколегированные стали, в состав которых входит всего 0,03 - 0,07 % ниобия и 0,01 - 0,1 % ванадия, позволяют на 30 - 40 % снизить массу металлических конструкций мостов и многоэтажных зданий, газо- и нефтепроводов, бурильного оборудования и т.п. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2 - 3 раза. Сверхпроводящие материалы на основе ниобия используются в поездах на воздушной подушке, развивающих скорость 577 км/ч. В современном легковом автомобиле многие детали выполнены из стали с ниобием и ванадием, медно-берилловых сплавов и сплавов с цирконием и иттрием, что позволило уменьшить массу автомобиля примерно в 1,5 раза. Разрабатываются электромобили с литиевыми аккумуляторами, на водородном топливе с нитридом лантана и др. Производятся топливные элементы на основе оксидов циркония и иттрия, с КПД до 65%. С применением осветительных ламп с люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий, расход электроэнергии на освещение снижается в 2 - 3 раза. Арсенид галлия используется в производстве фотоэлементов, интегральных схем и т.п. Применение редкоземельных материалов при крекинге нефти позволяет снизить потребление дорогостоящей платины и увеличить на 15% выход высокооктанового бензина. Иттрий способен резко увеличить электропроводность алюминиевого провода и прочность новых керамических конструкционных материалов. Совсем недавно обнаружилось необычное свойство редкоземельных металлов - при их внесении в почву на 5 - 10% повышается урожай сельскохозяйственных культур: риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, хлопка, фруктов и др. Потребление редких металлов быстро растет. Например, в Японии за период 1960-1985 гг. оно возросло в 10 - 25 раз.

Результаты исследований показывают, что ископаемое углеводородное сырье содержит промышленно ценные количества иттрия, лантанидов, ванадия и других редких металлов, стоимость которых соизмерима со стоимостью самого сырья. Например, в татарской нефти содержится до 700 г/т ванадия, который является ценным, но и весьма токсичным веществом. При извлечении его из нефти решаются одновременно две задачи: добывается нужный для многих целей металл и предотвращается загрязнение окружающей среды.

Некоторые специалисты убеждены: редкие металлы - будущее новой техники. На пороге тысячелетий современная цивилизация переходит из железного века в новый - век легких и надежных материалов, содержащих редкие металлы.

Термостойкие материалы

Повышение скорости химических процессов и эффективности работы многих аппаратов, двигателей и т.п. достигается при высокой температуре, поэтому создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий и машиностроения.

К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов: имплантация ионов, плазменный синтез, плавление и кристаллизация в отсутствие гравитации, напыление на поликристаллические и аморфные поверхности и др. Для изменения локальных химических и физических свойств материалов применяется лазерная технология. Сфокусированный луч мощного импульсного лазера способен кратковременно создавать чрезвычайно высокую локальную температуру - вплоть до 10000 К. В точке фокусировки лазерного луча изменяются физические и химические свойства поверхностного слоя.

С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния Si₃N₄ и силицид вольфрама WSi2 - термостойкие материалы для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходными электроизолирующими свойствами даже при небольшой толщине слоя - менее 0,2 мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Из этих материалов напыляются тонкопленочные элементы интегральных схем.

Представляет практический интерес способ синтеза новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Этот способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму с последующим превращением его в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния. Современные графитоволокнистые материалы способны выдерживать температуру до 2000 °С. Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.[5]

Нитинол

Нитинол представляет собой никель - титановый сплав (55% Ti, 45% Ni), обладающий необычным свойством - сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом. Такое свойство нитинола сохраняется даже после его холодного формования и термической обработки. Для него характерны сверх- и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

Вначале нитиноловые изделия служили преимущественно для военных целей - с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен. Соединение производилось муфтой, свободно надевавшейся на концы соединяемых трубок. После пропускания электрического тока муфту нагревали примерно на 30 °С, после чего она, охлаждаясь, принимала первоначальную форму с меньшим диаметром, плотно прилегая к концам трубок. Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалось собрать в космосе при корректировке орбиты станции «Мир».

Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные кости. Благодаря памяти формы нитиноловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8-10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека. При внедрении нитиноловых деталей происходит более эффективное заживление ран - ведь помимо замечательных механических свойств нитинол еще и биологически инертен.

Вне всякого сомнения, нитинол найдет более широкое применение: при ремонте газо-, нефте- и газопроводов, а также при решении других задач.

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т. д.).

Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественно упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Оно обладает текучестью, как жидкость. Кристаллическая упорядоченность молекул жидких кристаллов подтверждается их оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: нематические, смектические и холестерические. Наименьшую упорядоченность имеют нематические жидкие кристаллы. Молекулы их параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольные расстояния, т.е. длинные, узкие и в то же время весьма жесткие молекулы выстраиваются подобно сплавляемым по реке бревнам. Более сложная форма молекул - в виде плоскостей, из которых образуется многослойная относительно упорядоченная структура, наблюдается в жидких смектических кристаллах. По структуре жидкие холестерические кристаллы похожи на нематические, но отличаются от них закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям. Шаг такой спиральной структуры сравнительно большой - несколько микрометров.

Под действием даже очень слабого электрического поля нарушается равновесие ориентированных молекул, при этом изменяются оптические свойства жидкокристаллического вещества: например, из прозрачного оно переходит в светонепроницаемое.

Прогресс в создании новых жидкокристаллических материалов во многом зависит от успешного синтеза молекул сферической, стержне- или дискообразной формы. Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов - формирование таких структур при синтезе полимеров.[6]

Оптические материалы

Прогресс в развитии световолоконной индустрии во многом определился технологической возможностью изготовления высокопрочной кварцевой нити путем химической конденсации паровой фазы. Толщина полученной таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно 0,1 толщины человеческого волоса. Совершенствование технологии изготовления кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи огромного объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение с успехом пользуются волоконно-оптической связью.

Современная химическая технология сыграла важную роль и при создании материалов для оптических устройств переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. Например, оптический переключатель срабатывает за одну миллионную миллионной доли секунды. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия. Органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойствами, чем ниобат лития, и являются весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.