Στοιχεία στο προσκήνιο : βηρύλλιο Understand article

Ως ένα ελαφρύ και σούπερ σκληρό μέταλλο, το βηρύλλιο είναι το όνειρο κάθε μηχανικού – έχει, όμως, και…

Το χημικό στοιχείο βηρύλλιο είναι ίσως ένα από τα πιο περίεργα του περιοδικού πίνακα. Είναι το δεύτερο ελαφρύτερο μέταλλο (με βάση την ατομική μάζα), μετά το λίθιο, και επιπλέον είναι παραδόξως αδρανές σε σύγκριση με τα γειτονικά του στοιχεία. Το βηρύλλιο είναι το πρώτο στοιχείο της 2ης ομάδας, και –αντίθετα με τις άλλες αλκαλικές γαίες (όπως το μαγνήσιο, το ασβέστιο και το στρόντιο)– αντιστέκεται στην αντίδραση με άλλες ουσίες. Στην πραγματικότητα, αυτό το σκούρο γκρι μέταλλο θα ήταν ένα από τα πιο χρήσιμα στοιχεία του περιοδικού πίνακα αν υπήρχε σε μεγαλύτερη αφθονία και δεν ήταν τόσο επικίνδυνη η χρήση του.

Κράματα και εφαρμογές

Η χημική σταθερότητα του βηρυλλίου οφείλεται στην τάση του να σχηματίζει ένα πολύ λεπτό, αδρανές στρώμα στην επιφάνειά του αποτελούμενο από το οξείδιό του. Αυτό συν η μικρή του πυκνότητα αποτελούν πλεονεκτήματα στην παραγωγή πολύ σκληρών, αντιδιαβρωτικών μεταλλικών κραμάτων, όπως το κράμα βηρυλλίου χαλκού. Αυτά τα κράματα χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής αντοχής, όπως τα στροφεία των ελικοπτέρων. Επίσης χρησιμοποιούνται ως εναλλακτική λύση του ατσαλιού σε ορισμένα εργαλεία – ιδιαίτερα όπου υπάρχουν υψηλά μαγνητικά πεδία, όπως σε πομπούς ή στον εξοπλισμό απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) των νοσοκομείων.

Καθαρό βηρύλλιο χρησιμοποιείται επίσης σε μερικές εξειδικευμένες εφαρμογές, παρά το υψηλό του κόστος, λόγω των εξαιρετικών του μηχανικών ιδιοτήτων. Πέρα από το ότι είναι ελαφρύ και ανθεκτικό, το βηρύλλιο έχει υψηλό σημείο τήξης και σχετικά μικρή θερμική διαστολή, με αποτέλεσμα να αλλάζει ελάχιστα κατά τη θέρμανσή του – ή όταν ψύχεται σε ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες, όπως σε αυτές που επικρατούν στο διάστημα. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν το βηρύλλιο ένα υλικό επιλογής σε πολλές αεροδιαστημικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων τμημάτων δορυφόρων και υπερηχητικών αεροσκαφών. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ (JWST) –ένα νέο διαστημικό τηλεσκόπιο που θα αντικαταστήσει το Χαμπλ– θα διαθέτει κάτοπτρα κατασκευασμένα από καθαρό βηρύλλιο. Το τηλεσκόπιο JWST αναμένεται να εκτοξευθεί μέσα στο 2021, και αφού τεθεί σε λειτουργία, τα 18 εξάγωνα βηρυλλίου που συνθέτουν το πρωτεύον κάτοπτρο του τηλεσκοπίου θα βρίσκονται διαρκώς στους – 220^οC. Αυτό προκειμένου να περιοριστούν οι εκπομπές από το ίδιο το κάτοπτρο στην περιοχή του υπερύθρου που αλλιώς θα επηρέαζαν την ανίχνευση του σήματος.

Το βηρύλλιο διαθέτει και μία άλλη εξαιρετική ιδιότητα: σε αντίθεση με τα περισσότερα μέταλλα, οι ακτίνες Χ το διαπερνούν πλήρως. Αυτή η διαφάνεια στις ακτίνες Χ οφείλεται στον μικρό αριθμό ηλεκτρονίων στο άτομό του: ως το 4ο στοιχείο του περιοδικού πίνακα, κάθε άτομό του διαθέτει μόλις 4 ηλεκτρόνια (μαζί με 4 πρωτόνια και συνήθως 5 νετρόνια στον πυρήνα του). Τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με τις διερχόμενες ακτίνες Χ, τις εκτρέπουν ή τις απορροφούν και εκπέμπουν τις δικές τους δευτερεύουσες ακτίνες Χ. Καθώς το βηρύλλιο διαθέτει μόλις 4 ηλεκτρόνια, οι ακτίνες Χ διέρχονται γρήγορα από τα άτομα του, με τις πιθανότητες να έλθουν σε επαφή με τα ηλεκτρόνια να είναι πολύ μικρές. Παρόλο που το λίθιο –με ατομικό αριθμό 3, και συνεπώς με ακόμα λιγότερα ηλεκτρόνια– θεωρητικά θα αποτελούσε ένα καλύτερο «παράθυρο» για τις ακτίνες Χ, είναι πάρα πολύ δραστικό για να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε δομική εφαρμογή, σε αντίθεση με το βηρύλλιο.

Επιτρέποντας στις ακτίνες Χ να διέλθουν ελεύθερα

Η ασυνήθιστη ιδιότητα της διαφάνειας του βηρυλλίου στις ακτίνες Χ επιτρέπει τη χρήση του ως περιέκτη δειγμάτων για ανάλυση με ακτίνες Χ, καθώς οι ακτίνες μπορούν να διέλθουν τον περιέκτη χωρίς πολλές διαταραχές. Αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο σε ερευνητικά κέντρα που χρησιμοποιούνται ακτίνες Χ στη μελέτη της ύλης σε ατομικό επίπεδο, όπως το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF)^w1 και την Ευρωπαϊκή Συσκευή Λέιζερ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (EuropeanX-RayFree-Electron Laser, European XFEL)^w2. Όταν έντονοι παλμοί ακτίνων Χ βομβαρδίζουν το υπό έρευνα δείγμα, ο τρόπος με τον οποίο οι ακτίνες Χ σκεδάζονται ή απορροφούνται παρέχει στοιχεία για τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των ατόμων του δείγματος, τα οποία στη συνέχεια οι επιστήμονες μπορούν να ερμηνεύσουν. Στο ευρωπαϊκό XFEL, μία λεπτή δέσμη ακτινών Χ χρησιμοποιείται στη στόχευση δειγμάτων όπως μεμονωμένοι ιοί και βιομόρια. Στο ESRF, η δέσμη επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν τις ιδιότητες και τη μοριακή δομή της ύλης με εξαιρετικά μεγάλη λεπτομέρεια, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων υλικών ή την εύρεση νέων χρήσεων για τα υπάρχοντα.

Σε έντονες πηγές ακτινών Χ όπως εκείνες στο ESRF και το Ευρωπαϊκό XFEL, μερικά εξαρτήματα των συσκευών θα πρέπει να είναι απομονωμένα σε αεροστεγείς συνθήκες κενού. Τοποθετώντας, όμως, φράγματα στη ροή του αέρα θα εμποδιζόταν η πορεία των ακτινών Χ – εκτός αν τα φράγματα είναι κατασκευασμένα από βηρύλλιο. Το βηρύλλιο, επίσης, προστατεύει τους ανιχνευτές ακτινών Χ από άλλα σωματίδια που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις ενδείξεις – για παράδειγμα, στο φασματοφωτόμετρο που χρησιμοποιείται στην παρακολούθηση των ιδιοτήτων των παλμών ακτινών Χ στο Ευρωπαϊκό XFEL.

Εστιάζοντας με φακούς από βηρύλλιο

Όπως το διάφανο γυαλί χρησιμοποιείται για την εστίαση του ορατού φωτός, το βηρύλλιο χρησιμοποιείται στην κατασκευή κατόπτρων που εστιάζουν δέσμες ακτινών Χ. Όταν μία δέσμη εστιάζει σε ένα ακριβές σημείο, υπάρχουν περισσότερα φωτόνια ακτινών Χ σε μικρότερο χώρο, γεγονός που ενισχύει την αλληλεπίδραση των ακτινών Χ με τα πειραματικά δείγματα.

Για την εστίαση των ακτινών Χ, τα κάτοπτρα βηρυλλίου θα πρέπει να είναι κοίλα – καμπυλωμένα αντίθετα από τους συνήθεις κυρτούς φακούς που χρησιμοποιούνται για την εστίαση του ορατού φωτός. Επειδή η διαθλαστική δύναμη του βηρυλλίου είναι πολύ μικρή, τα κάτοπτρα χρησιμοποιούνται γενικά ως συστοιχίες μεμονωμένων κατόπτρων, γνωστές ως σύνθετα διαθλαστικά κάτοπτρα (compound refractive lenses, CRLs). Αυτή η συστοιχία κατόπτρων παράγει μία εξαιρετική δύναμη εστίασης: το τελικό πλάτος της δέσμης λέιζερ ακτινών Χ μπορεί να είναι τόσο μικρό όσο ένα κλάσμα ενός μικρού (10-6m) εγκαρσίως – κάπου 10.000 φορές πιο οξύ από την αρχική διάμετρο της δέσμης.

Σπάνιο και επικίνδυνο

Όμως εκτός από αυτές τις εξαιρετικές ιδιότητες, το βηρύλλιο παρουσιάζει κάποια προβλήματα. Κατ’ αρχάς, το στοιχείο είναι σπάνιο: βρίσκεται μονάχα σε σπάνια ορυκτά, όπως η βήρυλλος – η κατηγορία των πολύτιμων λίθων που περιλαμβάνει τα σμαράγδια και τις ακουαμαρίνες. Αυτή η σπανιότητα καθιστά το βηρύλλιο ακριβό, και χρησιμοποιείται μόνο όταν είναι απολύτως απαραίτητο. Επιπλέον, εκεί που χρησιμοποιείται εκεί και παραμένει: εξαρτήματα από βηρύλλιο σε ερευνητικές εγκαταστάσεις ακτινών Χ θα πρέπει να αντέξουν για εκατοντάδες χρόνια προτού χρειαστεί να αντικατασταθούν.

Ένα άλλο πρόβλημα του βηρυλλίου είναι ότι είναι γνωστό τοξικό. Η εισπνοή μικρής ποσότητας σκόνης βηρυλλίου είναι αρκετή να προκαλέσει βηρυλλίωση – μία ασθένεια με επίμονα, μη ιάσιμα συμπτώματα παρόμοια με εκείνα της πνευμονίας – και μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο. Ως εκ τούτου, σε περιπτώσεις όπου χρησιμοποιείται βηρύλλιο στη μεταλλική του μορφή, επιβάλλεται η λήψη ειδικών προφυλάξεων προκειμένου να αποφευχθεί η είσοδος της σκόνης στο γενικό περιβάλλον. Η μορφοποίηση του μετάλλου καθίσταται συνεπώς δύσκολη, καθώς η σκόνη που παράγεται από την κατεργασία του βηρυλλίου είναι τοξική. Γι’ αυτό το λόγο, τα κάτοπτρα βηρυλλίου κατασκευάζονται με έκχυση τηγμένου βηρυλλίου σε τυποποιημένες μήτρες, αντί της λείανσης του μετάλλου στο επιθυμητό σχήμα.

Έτσι, ενώ το βηρύλλιο είναι εντυπωσιακά ευπροσάρμοστο, η σπανιότητα και οι κίνδυνοι που απορρέουν από τη χρήση του σημαίνουν ότι μπορεί να ληφθεί υπόψη μόνο για τις πιο επιλεγμένες και δαπανηρές εφαρμογές. Και πάντα υπάρχει η ανάγκη σεβασμού των κινδύνων που ενέχει αυτό το πολύ ιδιαίτερο μεταλλικό στοιχείο.

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τον Δρ. Peter Zalden, επιστήμονα οργάνων στο European XFEL, για την παροχή πληροφοριών για το παρόν άρθρο.

Web References

• w1 – Το ESRF, που βρίσκεται στην Γκρενόμπλ της Γαλλίας, είναι η πιο έντονη πηγή ακτινών Χ στον κόσμο και ένα κέντρο αριστείας στη βασική έρευνα για την επιστήμη της συμπυκνωμένης και ζωντανής ύλης. Το πρόγραμμα Extremely Brilliant Source, που αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2022, θα είναι μία νέα πηγή 100 φορές μεγαλύτερη ως προς τη λάμψη και τη συνοχή για καλύτερη κατανόηση των υλικών.
• w2 – Το European XFEL είναι ερευνητικό κέντρο στην περιοχή του Αμβούργου στη Γερμανία. Οι εξαιρετικά έντονες ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται από ερευνητές από όλο τον κόσμο στη μελέτη της δομής και της συμπεριφοράς των υλικών σε ατομικό επίπεδο και σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες.

Resources

• Για περισσότερες πληροφορίες για το βηρύλλιο και τις χρήσεις του, ελέγξτε την ιστοσελίδα του Beryllium Science and Technology Association (BeST).
• Διαβάστε ένα μικρό βιβλίο σχετικό με το βηρύλλιο και τις εφαρμογές του. Δείτε:
  • Adair R (2007) Beryllium. Rosen Central, New York. ISBN: 1404210032
• Παρακολουθήστε ένα βίντεο σχετικό με το βηρύλλιο και τις χρήσεις του, μεταξύ των οποίων μία εξήγηση του «παραθύρου» βηρυλλίου στο εργαστήριο παραγωγής ακτινοβολίας σύγχροτρον MAX-Lab στη Σουηδία, ως μέρος της σειράς «Βίντεο για τον Περιοδικό Πίνακα» του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ.
• Βρείτε περισσότερα για το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ, μία συνεργασία ανάμεσα στη NASA, τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (European Space Agency, ESA) και τον Καναδικό Οργανισμό Διαστήματος. Μάθετε περισσότερα για το πρώτο κάτοπτρο από βηρύλλιο στην ιστοσελίδα της NASA.
• Παρακολουθήστε ένα βίντεο για το βηρύλλιο και το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ (JWST).
• Διαβάστε για την ανακάλυψη του νετρονίου στην ιστοσελίδα της American Physical Society.
• Για πληροφορίες για όλα τα χημικά στοιχεία, διαβάστε αυτό το βιβλίο:
  • Gray T (2009) The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. Black Dog & Leventhal Publishers, Inc., New York. ISBN: 1603764054​

Institutions

Author(s)

Ο Joseph W Piergrossi είναι επιστημονικός συγγραφέας με έδρα το Αμβούργο της Γερμανίας. Είναι κάτοχος μεταπτυχιακού στην εκπαίδευση από το Πανεπιστήμιο της Τζόρτζια, Η.Π.Α και την επιστημονική δημοσιογραφία από το Πανεπιστήμιο της Βοστόνης, Η.Π.Α. Προηγουμένως είχε εργαστεί ως καθηγητής περιβαλλοντικής επιστήμης και φυσικής στις Η.Π.Α. Από το 2013, ο Joseph εργάζεται ως αρμόδιος για την επιστημονική επικοινωνία στο Ευρωπαϊκό XFEL στο Schenefeld της Γερμανίας.

Η Montserrat Capellas Espuny είναι ανώτερη ειδικός επιστημονικής επικοινωνίας στο ESRF. Συντάσσει άρθρα για την επιστήμη και τις εφαρμογές της και εμπλέκεται στο Humans of ESRF project, μία ιστοσελίδα που παρουσιάζονται άνθρωποι που εργάζονται στο ESRF για τον εορτασμό της 30ής επετείου του Εργαστηρίου.

Review

Στον περιοδικό πίνακα, υπάρχουν κάποια λίγο γνωστά χημικά στοιχεία τα οποία έχουν πολλές εφαρμογές. Το άρθρο αυτό θα μπορούσε να βαθύνει τις γνώσεις των μαθητών για ένα τέτοιο μεταλλικό στοιχείο: το βηρύλλιο.

Πριν την ανάγνωση αυτού του άρθρου, θα μπορούσαν οι μαθητές να σκεφτούν τα μέταλλα που γνωρίζουν και πώς οι εφαρμογές τους άλλαξαν στη διάρκεια της ιστορίας. Το άρθρο θα μπορούσε να αποτελέσει την αφετηρία έρευνας και συζήτησης για τις χρήσεις διαφόρων σπάνιων στοιχείων στην κοινωνία μας. Θα μπορούσε να συμβάλει, επίσης, στην ευαισθητοποίηση ως προς το τεράστιο κόστος της απόκτησής τους και τη σημασία της ανακύκλωσης.

Πιθανές ερωτήσεις κατανόησης μπορούν να είναι οι ακόλουθες:

• Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του βηρυλλίου και ποια είναι η θέση του στον περιοδικό πίνακα;
• Γιατί διαφέρει τόσο πολύ το βηρύλλιο από τα άλλα στοιχεία της ίδιας ομάδας;
• Μπορείτε να απαριθμήσετε πέντε από τις ιδιότητες του βηρυλλίου;
• Μπορείτε να περιγράψετε λεπτομερώς τρεις από τις εφαρμογές του βηρυλλίου;
• Γιατί το βηρύλλιο χρησιμοποιείται μόνο όταν είναι απολύτως απαραίτητο;
• Μπορείτε να εξηγήσετε το ρόλο του βηρυλλίου στην ανακάλυψη του νετρονίου;

MireiaGüell Serra, καθηγήτρια χημείας στο σχολείο INS Cassà de la Selva, Ισπανία

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF