Detaljkunskap om sällsynt cerium-metall kan vara guld värt

– Kinas besked är bekymmersamt eftersom en stor mängd högteknologiska tillämpningar är baserade på materialföreningar där dessa grundelement är vitala beståndsdelar. Det har bland annat lett till ett intensivt sökande efter nya gruvfyndigheter såväl i Sverige som i andra länder, säger Börje Johansson, professor i teoretisk materialvetenskap vid Uppsala universitet och KTH.

Det har under rådande situation blivit extra viktigt att verkligen förstå vilka egenskaper det är som gör dessa element så väl lämpade för högteknologiska tillämpningar som batterier, magneter, solceller, lågenergilampor och optiska fibrer. Först då kan man möjligen finna andra element, mer lätt tillgängliga, som ersättare av de sällsynta jordartselementen. Som ett led i denna strävan har svenska forskare allierat sig med synkrotronljusforskare i Grenoble för att undersöka metallen ceriums högst unika egenskaper.  Den svenska gruppen leds av Börje Johansson.

– Om ceriummetallen utsätts för ett yttre tryck sker plötsligt en volymkollaps med 15 procent, vilket är helt unikt för att vara en fasförändring i en metall, säger han.

Genom att förstå vad som i detalj händer i ceriummetallen kan man underlätta möjligheterna att finna nya applikationer. Redan i dag används cerium, då i den oxiderade fasen ceria, CeO2, i bilkatalysatorer för avgasrening. Avgörande är att ceriumoxiden kan anta två olika former. Även för bränsleceller är ceriumoxid dopat med andra sällsynta jordartselement ett möjligt material.

Johansson har tidigare lagt fram en modell för vad denna volymkollaps kan bero på. De så kallade 4f-elektronerna kan under tryck plötsligt bli metalliska och därmed hjälpa till att binda ihop atomerna. Denna extra bidning ger upphov till volymkollapsen. Förra året lyckades forskargruppen verifiera modellen genom experiment där man mätte hur atomerna vibrerar i den kollapsade cerium-fasen och därefter jämförde resultaten med teoretiska beräkningar.

Forskargruppen har nu gått vidare och undersökt atomvibrationerna i cerium-metallen under ännu lite högre tryck. Då uppnås nämligen en ny kristallfas där ceriumatomerna arrangerar sig i en unik struktur som under normala förhållanden endast uppträder i metallen uran bland grundelementen. Det intressanta är att atomernas vibrationer är mycket speciella i denna fas. Modellen med metalliska 4f-elektroner reproducerar i detalj dessa ovanliga data.

– Med den vunna förståelsen av ceriums uppträdande kan man nu försöka identifiera andra materialsystem med jämförbara egenskaper som skulle kunna tänkas ersätta cerium i olika komponenter, säger Börje Johansson.

– I ett längre perspektiv är det inte osannolikt att grundelement som guld och platina kommer att vara viktiga beståndsdelar i framtida högteknologiska tillämpningar, även om det kanske inte är just cerium de kommer att ersätta.

FAKTA: Cerium tillhör de sällsynta jordartselementen (lantaniderna), en serie i det periodiska systemet som fås när atomernas s k 4f skal fylls med elektroner. Många av dessa element upptäcktes i Sverige och det var den världsberömde kemisten Jöns Jakob Berzelius som 1801 tillsammans med bergsmannen Vilhelm Hisinger identifierade cerium.

Resultaten presenteras i veckans nummer av The Physical Review Letters [Ref 1].  Studien har finansierats av bland andra Vetenskapsrådet, European Research Council (ERC senior grant) och Wennergrenstiftelsen.

Referens: Lattice dynamics and superconductivity in cerium at high pressure, online 24 January 2012. Physical Review Letters (Vol.108, No.4)

För mer information, kontakta Prof. Börje Johansson, institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, och materialvetenskapliga institutionen, KTH, tel: 070-417 54 52.