KİMYA, NADİR TOPRAK ELEMENTLERİNİ NASIL STRATEJİK SİLAH HALİNE GETİRDİ?

18. yüzyılın sonlarında daha önce keşfedilmemiş olan asitte çözülebilen bir kayacın, İsveç’in Ytterby kasabasında “nadir toprak” olarak adlandırmasından sonra yüzyıllar içinde anlaşılmıştır ki yer kabuğunda rastlanma sıklığı çok düşük olmayan; pek de nadir olarak görülmeyen bu elementler için karmaşık olan durum benzer kimyasal özelliklerinden dolayı etrafındaki elementlerden ayrıştırılmasıdır. Nadir toprak elementleri (NTE)’nin doğada bulunma oranı bakır, çinko, kurşun, kalay, nikel gibi metallerinki ile neredeyse aynıdır ama bu sıra dışı elementleri, diğer metallerden ayıran bir özellikleri de elemental formda değil fosfatlar, karbonatlar, oksitler gibi mineraller şeklinde bulunmalarıdır.

20. yüzyılın başlarına kadar nadir toprak elementlerinin metalürjisi ve kimyası üzerlerine yoğun bilimsel araştırmalar yapıldığı söylenemese de İkinci dünya savaşının sürdüğü yıllarda (1939-1945) bilim insanları için sıra dışı olan NTE’nin özellikleri anlaşılmaya ve araştırılmaya başlanmıştır. Manhattan projesinin bir parçası olarak, nükleer bomba yapım çalışmaları sırasında araştırmalar, uranyumun saflaştırılması aşamasında eser miktarda bulunan nadir toprak elementlerinin uzaklaştırılmasına yoğunlaşmıştır.

1945-1991 yıllarında Amerika ve Sovyetler birliği arasında süren soğuk savaş araştırma geliştirme çalışmalarını silahlanma üzerine yoğunlaştırmıştır ve bu çalışmalar nadir toprak elementlerini de kapsamaktadır. ABD Hava Kuvvetlerince yapılan araştırmalarda, radar sistemlerinde ortam sıcaklığı çok yüksek olduğu durumlarda bile özelliklerini koruyan samaryum-kobalt mıknatıslar geliştirilmiştir. Aynı dönemde, Skandiyum içeren alüminyum alaşımlar üzerine çalışmalar yapan Sovyetler Birliği, Mig-29 savaş uçaklarının performansını arttırmayı başarmıştır. Güdümlü silahlarda kullanılmak üzere itriyum katkılı lazerler geliştirilmiştir.

1960’dan 1980’e kadar Amerika Birleşik Devletleri dünyada NTE alanında lider tedarikçi iken,  1970’lerde Komünist Çin Hükümeti’nin, üretim ve küresel ticaret yeteneklerini geliştirme politikasının başlaması ile Çin’in kendi rezervlerinden nadir toprak elementi üretimi ve ihracatı konusunda çalışmaları hızlanmıştır. Çin, NTE üretiminde yeteneklerini geliştirmek üzere yaptığı çalışmaları arttırmasının yanı sıra, düşük iş gücü maliyeti ve düşük çevresel standartlarını kendi avantajına kullanarak dünya lideri konumuna gelmiştir.

               Silah geliştirme projeleri ile Dünya’nın karşısına çıkan nadir toprak elementleri artık ticari savaşların stratejik silahı haline gelmiştir. Kritik ve stratejik olarak ele alınan bu elementlere ihtiyaç duyan ülkelerin; modern savunma sistemlerinde, güdüm sistemlerinde, kontrol sistemlerinde, uçak ve tank motorlarında, uydu iletişiminde, radar ve sonar sistemlerinde neodimyum ve samaryum içeren malzemeler kullanabilmesi,  günümüzde Ukrayna’nın kullandığı MANPAD gibi NTE içeren omuzdan ateşlemeli taşınabilir hava savunma sistemlerini geliştirebilmesi için güvenli tedarik zincirlerine sahip olmaları gerekmektedir.

NTE rezervlerinin bir ülkede mevcut olması da tek başına yeterli olmamaktadır. Mineraller işlendikten sonra,  rezervlerden elde edilen NTE’leri, örneğin askeri donanımlarda kullanılmak üzere güçlü mıknatıslara dönüştürmek için her ülkenin bilimsel, teknolojik ve stratejik ulusal projelerini geliştirmesi gerekmektedir.

STRATEJİK SİLAHLARIN KİMYASI

Lantan’dan lutesyum’a kadar periyodik tablonun alt kısmında yer alan, f-blok elementleri olarak da tanımlanan metaller, nadir toprak elementleri olarak adlandırılır. 4f orbitallerinde bulunan, kimyasal bağ yapımına katılmayan elektronları sayesinde sıra dışı elektronik, optik ve manyetik özellikler gösterirler. 4f electronlarına sahip olmasa da benzer kimyasal özellikler gösterdiği için skandiyum ve itriyum da “nadir toprak elementileri”ne dahil edilir.

4f orbitallerinin şekillerine bağlı olarak, lantanitlerde atom numarası arttıkça çekirdeğin bu enerji seviyesinde bulunan elektronlar üzerindeki çekim gücü artar ve çekirdek yükündeki artışa karşı atom çapında lantanit büzülmesi olarak adlandırılan daralma gözlenir. Metallerin özelliklerinin atom çaplarına ve çekirdek yüklerine bağlı olarak belirlendiği göz önüne alındığında ise tüm lantanit iyonları yaklaşık olarak aynı boyutta olması ve lantanit büzülmesinden dolayı aynı etkin çekirdek yüküne sahip olmaları sebebiyle NTE’ler birbirleri ile çok benzer fakat sıra dışı kimyasal özellikler gösterirler ve bu yüzden birbirlerinden ayrıştırılmaları zordur.

NTE içeren malzemelerin ve teknolojilerin geliştirilmesi, 4d ve 5p elektronları tarafından perdelenen, atomların derinliklerine gömülü 4f orbitallerinde bağ yapımına katılmayan elektronlarının sağladığı özelliklerin anlaşılması ile ilişkilidir. Lantanitlerin 4f orbital elektronlarının çoklu enerji seviyeleri, elektromanyetik spektrumun görünür aralığında zengin bir ışık emisyon spektrumu yaratır. Tüm lantanitlerde en az bir çiftleşmemiş elektron ve çiftleşmemiş elektronların da kendi manyetik alanları bulunmaktadır. Nadir toprak elementleri, kısmen dolu olan 3d ve 4f orbitallerinde bulunan elektronların manyetik momentleri arasındaki etkileşimler sonucu üstün manyetik özelliklere sahiptirler. Oda sıcaklığında manyetik özellik gösteren neodimyum ve samaryum elementleri, demir ya da kobalt gibi geçiş metalleri ile alaşım olarak aynı kristal yapının içinde bir araya getirildiğinde, karmaşık şekillerde f-orbitallerine sahip atomlar aynı yönde sıralanır ve düzensiz şekilleri sebebi ile dönemezler. Bu kısıtlanmış hareket de manyetik alanlarını kalıcı olarak sabitleyerek güçlü, demanyetize edilemeyen mıknatısları ortaya çıkarır.

İşte 4f-orbitallerininin tüm bu karmaşık şekilleri ve elektronlarının ve 4f orbitallerinde bulunan elektronların etkileşimleri NTE’lerin üstün optik, elektriksel ve magnetik özelliklerinin doğmasını sağlar.

Sonsuz büyüklükteki evrende, f-orbitalleri içerisine gizlenen elektron davranışları ile sıra dışı hale gelen nadir toprak elementleri kullanılarak geliştirilen teknolojiler ve bu elementlerin daha iyi anlaşılmayı bekleyen özellikleri, dünya ülkelerinin birbirleri ile olan üstünlüğünün stratejik anahtarı haline gelecektir.