Zařízení na epitaxi z molekulárních svazků. Kredit: Durban Lab.

Není tajemstvím, že jedna z nejdůležitějších globálních her dnešní doby se hraje o vzácné zeminy. Těchto 15 lanthanoidů se skandiem a yttriem mají unikátní elektronické vlastnosti a našly uplatnění v pokročilé elektronice. Staly se výjimečně strategickou surovinou. Nejsou vzácné proto, že by jich bylo celkově málo, ale jen vzácně se vyskytují v takové koncentraci, že se vyplatí jejich těžba.

Také není tajemstvím, že v této hře v současnosti jednoznačně vítězí Čína, což u mnoha lidí vzbuzuje obavy. Spojené státy podle Defense One tuto hru na dlouhou dobu pokazily již v osmdesátých letech, kdy udělaly dvě osudové chyby. Tehdejší největší americká společnost pro těžbu a zpracování vzácných zemin Molycorp přesunula své provozy do Číny, čímž jim prakticky odevzdala klíčové technologie. A druhou chybou bylo, že příslušné komise zařadily těžbu a zpracování vzácných zemin pod stejné regulace, jako těžbu surovin pro jaderné palivo. To spolehlivě zlikvidovalo všechny významné americké producenty vzácných zemin. Řada podobných neuvážených kroků z americké strany pak přišla i v dalších letech. Výsledkem toho všeho je, že Čína teď drží na krku nůž ze vzácných zemin prakticky celému světu. A zároveň na tom královsky vydělává.

Roy Clarke. Kredit: University of Michigan.

Co s tím? Je to běh na dlouhou trať, ale svět si už uvědomil, jaký problém vzácné zeminy představují. Prospektoři usilovně hledají nová ložiska těchto prvků, kde by se vyplatila těžba. Je to ale obtížné a takových míst nebude mnoho. Recyklace vzácných zemí je rovněž dost obtížná a potřebné technologie jsou teprve v počátcích. Naštěstí jsou i jiné možnosti, jako například nechat vědce, ať si hrají a zkusí vymyslet něco, co by přivodilo zásadní technologický zvrat v této osudové globální hře o moc.

A možná je takový zvrat už nadohled. Roy Clarke z americké University o Michigan v Ann Arbor a jeho spolupracovníci vymysleli způsob, jak problematické prvky vzácných zemin nahradit. Zkombinovali mnohem snadněji dostupné a hlavně levnější prvky periodické tabulky do elektronicky užitečných sestav, které by si teď mohly najít cestu do pokročilé elektroniky nebo třeba do solárních panelů. Zjistili totiž, že takové kombinace prvků mohou mít mnoho vlastností prvků vzácných zemin. Jako když hráč videohry stiskne několik kláves najednou a vytvoří tím kombo, třeba pořádný útok, kterým zdecimuje svého protivníka.

Periodická tabulka. Kredit: 2012rc / Wikimedia Commons.

Clarke a spol. k tomu použili metodu epitaxe z molekulárních svazků (MBE, molecular beam epitaxy), s jejíž pomocí vytvořili tenké filmy požadovaných vlastností postupným nanášením jednotlivých prvků s přesností na atomy. Tímto postupem dokázali vytvořit „kombo“ z prvků II, IV a V skupiny tabulky, v jejich případě ze zinku, cínu a dusíku. Všechny tyto prvky jsou velmi dobře dostupné a levné, přičemž výsledná sestava má podobné optoelektronické vlastnosti jako prvky vzácných zemin.

Tato sestava dokáže těžit solární energii a pak svítit. Mohla by se uplatnit například v tenkých solárních panelech, LEDkách nebo displejích. A možnosti jsou široké. Když by například zinek v této sestavě nahradili hořčíkem, tak by tento materiál mohl zářit i v modré a ultrafialové oblasti spektra. Konkrétní sestava prvků je také vždy více specificky citlivá na záření o určité vlnové délce. Různými kombinacemi prvků by bylo možné vytvořit LEDky, které budou zářit v různých barvách a typech světla. Jak se zdá, velká hra o vzácné zeminy bude mít trochu jiná pravidla. Globální stabilitě to jenom prospěje.

Video:  Materials at Michigan Symposium | Roy Clarke


Literatura
University of Michigan 2. 7. 2019, Defense One 8. 11. 2018, Physical Review Letters 122: 25640.