Скандий: факты и фактики

А. Мотыляев

Чем хорош скандий? Сочетанием малого веса и высокой температурой плавления. Будучи 21-м элементом таблицы Менделеева, он располагается под алюминием в подгруппе 3Б, отличаясь от последнего втрое более высокой температурой плавления, а от соседнего титана — в полтора раза большей прочностью. Серебристый с желтым отливом скандий, заметно окисляющийся на воздухе лишь при нагреве выше 250°С, мог бы стать прекрасным конструкционным материалом, может быть, даже основой цивилизации. Однако не стал.

Чем плох скандий? Тем, что он чрезвычайно рассеян. Скандия в земной коре 10-3—10-4%. Это не так уж мало, если сравнить с благородными платиной (10-7), золотом (10-8)и даже серебром (10-6). Хотя до соседей по таблице, например кальция или титана, ему очень далеко. Но вот по рассеянности скандий — рекордсмен: редко в каком минерале его содержание достигает 10 граммов на тонну. Поэтому добывать его не то чтобы сложно, но очень дорого. Цена на более-менее чистый скандий в разы превышает цену золота. Такой металл никак не может стать основой цивилизации, хотя он и содержится в отвалах многих предприятий по производству металлов или фосфорных удобрений.

Какую роль сыграл скандий в утверждении Периодической системы? Сформулировав свой закон, Д.И. Менделеев предсказал свойства элементов в незаполненных ячейках таблицы. Среди них был и элемент 21, названный им экабором. В 1879 году швед Ларс Нильсон обнаружил в минерале ауксените элемент, свойства которого оказались практически идентичны экабору. Этот элемент, названный скандием в честь родины Нильсона, стал вторым доказательством справедливости закона: первым был открытый в 1875 году экалюминий — галлий.

Зачем скандий металловедам? Не будь он столь редким и дорогим, технологи могли бы найти ему много применений. Главное — аэрокосмическая промышленность. Так, добавка скандия в мельчайших количествах (доли весового процента) в сплавы алюминия и алюминия с магнием существенно, на десятки процентов, а порой ив разы увеличивает механические свойства: твердость, прочность, длительную прочность. Пластичность же при этом не уменьшается. Эффекты достигаются за счет того, что скандий, во-первых, сильно уменьшает размер зерен металла, а во-вторых, выделяется в виде упрочняющих частиц интерметаллида — скандида алюминия AlSc2.И заменить его нечем. Вот свежий опыт, поставленный немецкими учеными («Surface and Coatings Technology»), которые делали тонкую алюминиевую пленку для последующей штамповки микроскопических деталей. Сплав с добавкой скандия удовлетворяет всем требованиям технологов, но уж очень хочется избавиться от этого дорогого элемента. Что если взять химический аналог — иттрий, стоящий в таблице сразу под скандием? Взяли и обнаружили, что структура пленок у обоих сплавов схожая, а прочность той, что с иттрием, даже выше. Но вот пластичность упала почти до нуля. Из такой пленки ничего не отштампуешь. Среди прочих достоинств алюминиевых сплавов со скандием — свариваемость и поглощение радиоволн; последнее нужно для облегчения маскировки боевых самолетов.

Легкие сплавы прежде всего нужны авиации и космонавтике. Если не думать о цене, для столь важного дела следует применять самый лучший материал. (Вспомним слова, приписываемые конструктору МИГов А.И. Микояну: «Если надо, мои самолеты будут заправляться армянским коньяком».) Так и делали в СССР, где была поставлена задача — получить десять тонн скандия в год (больше, чем все остальные страны, вместе взятые) и превратить его в тысячу тонн высокопрочного алюминиевого сплава. Из такого сплава, в частности, были сделаны элементы обшивки космического челнока «Буран».

Если же думать о цене, то возникает вопрос: а окупаются ли затраты? Пусть самолет будет тяжелее, но дешевле, ведь по состоянию на 2011 год, согласно данным из доклада Геологической службы США «Mineral Commodity Summaries 2012» килограмм алюминий-скандиевого сплава стоил 220 долларов (годом ранее — 74 доллара). А килограмм чистого алюминия шел на бирже по два доллара. Видимо, соображения экономии и привели после перестройки к значительному падению спроса на скандий и сокращению его производства. Так, по данным того же доклада, в главной авиастроительной стране мира, США, скандий не добывают аж с 1990 года, а пользуются поставками из КНР, России и Украины. При этом основное использование алюминиевых сплавов со скандием сегодня — изготовление профессиональных бейсбольных бит, а также рам очень дорогих гоночных велосипедов.

Впрочем, будущее этого металла авторы доклада все же связывают с авиацией и космосом. Может быть, имеется в виду второе рождение известных легких сплавов, а может быть, и уникальный новый материал — бериллид скандия ScBe16. Это легчайший из возможных (удельный молекулярный вес в расчете на один атом оказывается чуть больше 11, то есть меньше, чем у углерода) металлический конструкционный материал, способный выдерживать нагрев на воздухе до 1600°С. Энтузиасты заявляют, что, будь в нашем распоряжении много скандия и бериллия, именно из их интерметаллида делали бы космические корабли, двигатели, турбины электростанций и много чего еще. Увы, при этом они упускают из виду, что интерметаллиды — вещества хотя и прочные, но, как правило, хрупкие, и ни один конструктор по доброй воле такой материал в ответственную конструкцию не поставит. Конечно, можно различными ухищрениями поднять пластичность материала, но, если это требуется делать в огромном интервале температур, от комнатной до белого каления, задача становится практически неразрешимой. А традиционным легким сплавам в самолетах на пятки наступают углепластики — материалы легчайшие и прочнейшие. Поэтому авиационно-космическое будущее сплавам со скандием отнюдь не гарантировано.

Как скандий связан со светом? Скандий присутствует в галогеновых лампах. Именно он обеспечивает им спектр излучения, сходный с солнечным. Считается, что светодиоды сегодня вытесняют такие лампы с рынка. А вот в лазерах скандий прочно занял свое место: его добавляют в состав иттрий-галиевых гранатов — основы современных твердотельных лазеров. В частности, на иттрий-скандий-галлиевом гранате созданы медицинские лазеры. Например, ими пытаются лечить кариес и омолаживать кожу лица. Первое направление раз за разом доказывает свою бесперспективность: стальной бур в сравнительных испытаниях всегда лучше вычищает больной зуб от пораженного материала, соответственно и прочность крепления пломбы при этом оказывается выше («Lasers in Medical Science»). И стерилизовать зубы полностью не удается, хотя, если промыть каналы корня зуба гипохлоритом натрия NaOCl и осветить лазером мощностью в1 Вт, вредных грибков Candida albicans в них оказывается существенно меньше, чем при других видах дезинфекции («Photomedicine and Laser Surgery»). Что же касается омоложения, ради которого «испаряют» лазером верхний слой кожи лица, то у гранатового лазера со скандием есть сильный конкурент — лазер на углекислом газе. Разница в том, что импульсный гранатовый лазер гораздо меньше нагревает кожу, нежели газовый. Казалось бы, это должно дать ему преимущество. Однако многократные сравнения разных лазеров этого не подтверждают. Вот описание одного из опытов. У 28 пациенток лица разделили на четыре участка, и каждый из них обрабатывали случайно выбранным лазером.

Последующий анализ не показал статистически значимого различия ни в качестве омоложения, ни в самочувствии пациенток («Dermatologic Surgery»). Стало быть, использование разных лазеров объясняется маркетинговыми причинами, а не медицинскими показаниями, делают вывод авторы работы.

Зачем нужен радиоактивный скандий и как его делают? Самым интересным радиоактивным изотопом оказался скандий-44 с периодом полураспада 3,97 часа, излучающий позитроны. Генератором этого скандия служит радиоактивный изотоп титан-44, с периодом полураспада 60 лет. Из такого генератора ежедневно извлекают порцию скандия для исследований. А служит он для позитронно-эмиссионной томографии. Благодаря относительно большому времени жизни скандия-44, а также тому, что после излучения позитрона остается безвредный кальций-44, созданные на его основе препараты позволяют следить за длительными перемещениями лекарственных и других веществ в организме.

Какие новые приложения могут появиться у скандия? Очевидно, что обеспечить потребление столь дорогого вещества может только его выдающееся свойство. Не исключено, что в ближайшее время он поможет накапливать водород для устройств водородной энергетики, причем вес водорода превысит критическое значение в 5%. Материалы, содержащие скандий, демонстрируют очень хорошие результаты. Так, порошок из частиц Mg65Sc35 сумел накопить до 6,4% водорода, причем спустя 50 циклов зарядки-разрядки способность к накоплению упала не столь уж сильно — до 4,3% («International Journal of Hydrogen Energy»). Добавка скандия существенно ускорила скорость перемещения водорода, снизив активационную энергию этого процесса в два раза. Расчет поведения кластеров Si@Al12 со скандиевым покрытием показал, что они, во-первых, не будут слипаться, а во-вторых, смогут накопить более 6% водорода («Journal of Chemical Physics»). Аналогичный расчет для наночешуек графена, декорированных по торцу скандием, предсказывает накопление уже 9% водорода, причем с удивительно низким значением энергии связи («Nanoscale»). Для графена с кальцием те же исследователи получили емкость лишь в 5%. Видимо, теперь дело за экспериментальной проверкой. А вот пористые полимеры, даже со скандием, на рекорд не пошли — они вбирают в себя не более 3 вес. % водорода.

Чем скандий похож на красную ртуть? Три вещества: скандий, красная ртуть и изотопно-чистый осмий-187 прославились в конце перестройки тем, что все мало-мальски связанные с металлургией люди разыскивали их в надежде мгновенно разбогатеть. Соблазн был очень велик, ведь граммы этих металлов оценивались в сотни долларов. Ажиотаж подогревался тем обстоятельством, что в советскую эпоху было принято заказывать некоторые элементы в избыточном количестве, например, чтобы выбрать в конце года выделенные на финансирование института фонды. В результате у многих в запасниках скопились всевозможные редкие и дорогие вещества — рений, индий, лантан, ниобий, гафний, тот же скандий. Через некоторое время запасы списывали, металл же оставался в столе на всякий случай для будущих исследований. С развитием товарно-денежных отношений появилась возможность обратить эти запасы в наличные. Многие ли сумели этой возможностью воспользоваться — неизвестно, но сплетни о том, что есть спрос на дорогие металлы, распространились со скоростью степного пожара. Если красная ртуть — вещество скорее вымышленное, а осмий-187 — чрезвычайно специальное, то скандий — пусть редкий, но всем понятный легирующий элемент специальных сплавов.

Об операции «скандий—красная ртуть—осмий-187» есть несколько мнений. По одной, самой безобидной, западные партнеры таким образом искали поставщиков ценного сырья из-за железного занавеса. По другой — ее организовали спецслужбы для выявления каналов контрабанды и утечки гостайны. Конспирологи утверждают: таким способом по фиктивным контрактам в СССР были завезены деньги для оплаты подрывных действий — фиктивно вывозить металл, два килограмма которого тянут на полмиллиона долларов, легче, чем вагоны с алюминием. Впрочем, это могло быть банальным разворовыванием советских запасов, например, в результате перепродажи металла по заниженной цене. Стоил же скандий и тогда, и сейчас очень дорого, в чем можно убедиться, пролистав упомянутый американский отчет: один грамм скандия, например, в форме дендритов (их получают, осаждая чистый металл из пара) стоил в 2011 году 199 долларов (примерно в четыре раза дороже золота), а в 2007-м — 208 долларов. Это не сильно отличается от 191 доллара — стоимости грамма тех же дендритов чистотой 99,99% в 1994 году.

Во всей этой истории совершенно непонятно, кому нужен скандий, если производство материалов на его основе невелико и все поставщики столь хорошо известны, что обращаться к черному рынку не имеет смысла. Есть мнение, что вся процедура связана с обманом банкиров. Дорогой металл — отличное средство залога, если же он тебе достался дешево, а то и бесплатно, то можно с легким сердцем взять под него кредит, переложив на банкиров головную боль, связанную с последующей продажей дорогого, но мало кому нужного вещества. Не исключено, что советский скандий до сих пор обращается в этой далекой от материаловедения сфере.

Разные разности
Безопасная замена фентанилу
Исследовательская группа из Майнцского университета им. Иоганна Гутенберга, кажется, нашла возможное альтернативное обезболивающее. Им оказался анихиназолин B, который выделили из морского гриба Aspergillus nidulans.
Наука и техника на марше
В машиностроении сейчас наблюдается оживление. И то, о чем пойдет речь в этой заметке, это лишь малая толика новинок в области специального транспорта, который так необходим нам для освоения гигантских территорий нашей страны.
Пишут, что...
…даже низкие концентрации яда крошечного книжного скорпиона размером 1–7 мм (Chelifer cancroides) убивают устойчивый больничный микроб золотистый стафилококк… …скрученные углеродные нанотрубки могут накапливать в три раза больше энергии на еди...
Мамонты с острова Врангеля
Остров Врангеля открыл в 1707 году путешественник Иван Львов. А в конце XX века на острове нашли останки мамонтов. Их анализ показал, что эти мамонты дольше всего задержались на Земле. Но почему же они все-таки исчезли?