Скандий: факты и фактики
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.