ตารางธาตุ (periodic table) มีธาตุชื่อแปลกๆ มากมาย และชื่อที่มิใช่อังกฤษที่สุดคือ กลุ่มธาตุแรร์เอิร์ท (Rare Earth) แต่สำหรับคนสวีเดนแล้ว ชื่อเหล่านี้เป็นชื่อสามัญธรรมดา เพราะธาตุเหล่านี้ถูกพบเป็นครั้งแรกในสวีเดนในปี 1787 ที่ Ytterby ซึ่งเป็นเมืองเล็กๆ ที่อยู่ไม่ไกลจาก Stockholm ดังนั้น เราจึงมีธาตุหายากชื่อ yttrium, ytterbium, erbium, terbium, holmium และ scandium ซึ่งล้วนเป็นชื่อที่เกี่ยวข้องกับ Scandinavia
ปัจจุบันสมาคม IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ได้กำหนดธาตุหายากว่ามี 17 ธาตุดังนี้ คือ
1. Lanthanum สัญลักษณ์ La พบในปี 1839 โดย Carl Gustav Mosander ชาวสวีเดนในสารประกอบชื่อ lanthana ดังนั้นจึงตั้งชื่อธาตุตามคำ lanthanein ในภาษากรีกซึ่งแปลว่า แอบแฝง หรือซ่อนอยู่ ธาตุนี้มีสีขาวและมีค่าดัชนีหักเหแสงค่อนข้างสูง นิยมใช้ทำแบตเตอรี่และเลนส์ในกล้องถ่ายรูป
2. Cerium สัญลักษณ์ Ce พบในปี 1803 โดย Wilhelm Hisinger และ Jons J. Berzelius ชาวสวีเดนกับ Martin H. Klaproth ชาวเยอรมัน ในสารประกอบ Ceria และถูกตั้งชื่อตามดาวเคราะห์แคระ Ceres ผู้เป็นเทพธิดาแห่งการเกษตร มีสีคล้ายเหล็ก เวลานำมาเสียดสีกับหินเหล็กไฟจะเกิดประกายไฟ นิยมใช้เป็นผงขัด เวลาใส่เจือในแก้วและเซรามิก เพื่อให้มีสีเหลือง และใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี
3. Praseodymium สัญลักษณ์ Pr พบในปี 1885 โดย Karl Auer von Weisbach ชาวออสเตรีย ตั้งชื่อตามคำ prasios ในภาษากรีก ที่แปลว่า เขียว และ didymos ที่แปลว่า แฝด เพราะมักพบในสารประกอบ praseodymia ซึ่งมีสีเขียว มีประโยชน์ในการทำแม่เหล็ก เลเซอร์ เป็นสารให้สีในแก้ว และทำแว่นตา
4. Neodymium สัญลักษณ์ Nd พบในปี 1885 โดย Karl Auer von Weisbach ชาวออสเตรีย ตั้งชื่อตามคำ neos ในภาษากรีกที่แปลว่า ใหม่ และ didymos ที่แปลว่า แฝด เพราะมักพบอยู่ร่วมกับสารประกอบ lanthanum ใช้ทำเลเซอร์ เป็นสารเติมให้แก้วมีสีม่วง ทำตัวจุ และแม่เหล็ก
5. Promethium สัญลักษณ์ Pm พบในปี 1947 โดย J.A. Marinsky, L.E. Glendenin และ C.D. Coryell ชาวอเมริกัน ตั้งตามชื่อของเทพ Prometheus ผู้นำไฟจากสวรรค์มาให้มนุษย์ใช้ ธาตุนี้เกิดในปฏิกิริยาฟิชชัน และมีประโยชน์ในการใช้ทำแบตเตอรี่
6. Samarium สัญลักษณ์ Sm พบในปี 1879 โดย Lecog de Boisbaudran ชาวฝรั่งเศส ตั้งตามชื่อของแร่ samarskite ที่ Vasili Samarsky – Bykhovets ถลุงได้ มีประโยชน์ใช้ทำเลเซอร์ ใช้จับอนุภาคนิวตรอน และทำเมเซอร์
7. Europium สัญลักษณ์ Eu พบในปี 1901 โดย Eugéne Demarcay ชาวฝรั่งเศส ตั้งตามชื่อของเทพ Europa นิยมใช้ทำเลเซอร์ ตะเกียงไอปรอท อุปกรณ์ NMR (nuclear magnetic resonance) และทำจอโทรทัศน์
8. Gadolinium สัญลักษณ์ Gd ตั้งตามชื่อของ Johan Gadolin ชาวฟินแลนด์ผู้ศึกษาธาตุหายากเป็นคนแรก และพบในสารประกอบ gadolinia ที่ Jean C.G. de Marignac ชาวสวิสศึกษาในปี 1880 ใช้ทำแก้วที่มีค่าดัชนีหักเหของแสงสูง ทำเลเซอร์ เป็นเป้าในหลอดเอ๊กซเรย์ จับนิวตรอน และเป็นสารเจือในกระบวนการทำเหล็กกล้า
9. Terbium สัญลักษณ์ Tb พบในปี 1843 โดย Carl Gustav Mosander ชาวสวีเดน ตั้งตามชื่อเมือง Ytterby ในสวีเดน ใช้ทำเลเซอร์ และหลอดไฟเรืองแสง
10. Dysprosium สัญลักษณ์ Dy พบในปี 1886 โดย Lecog de Boisbaudran ชาวฝรั่งเศส พบในสารประกอบ dysprosia ตั้งชื่อตามคำสนธิระหว่าง dys กับ pros ซึ่งในภาษากรีกแปลว่า แยกได้ยาก เพราะแยกจากธาตุ holmium ได้ยากใช้ทำเลเซอร์ และแม่เหล็ก
11. Holmium สัญลักษณ์ Ho พบในปี 1878 โดย Marc Delafontaine และ J.L. Soret ชาวสวิส เมื่อถึงปี 1879 Per T. Cleve ชาวสวีเดนก็พบธาตุนี้อีก โดยไม่ทราบข่าวการพบธาตุนี้โดยนักเคมีสองท่านแรก ตั้งตามชื่อภาษาละตินของกรุง Stockholm ที่เรียก Holmia
12. Erbium สัญลักษณ์ Er พบในปี 1843 โดย Carl G. Mosander ชาวสวีเดน ตั้งตามชื่ออีกชื่อหนึ่งของเมือง Ytterby ในสวีเดน ใช้ทำเลเซอร์ และในเทคโนโลยีใยแก้วนำแสง
13. Thulium สัญลักษณ์ Tm พบในปี 1879 โดย Per T. Cleve ชาวสวีเดน ตั้งตามชื่อ Thule ในภาษาละติน ซึ่งใช้เรียกประเทศต่างๆ ในแถบ Scandinavia ใช้ในหลอดผลิตรังสีเอ็กซ์ และทำเลเซอร์
14. Ytterbium สัญลักษณ์ Yb พบในปี 1878 โดย Jean C.G. de Marignac ชาวสวิส ตั้งตามชื่อเมือง Ytterby ในสวีเดน ใช้ทำเลเซอร์ เป็นส่วนผสมของเหล็กกล้า และใช้ในเวชศาสตร์นิวเคลียร์
15. Lutetium สัญลักษณ์ Lu พบในปี 1907 โดย George Urbain ชาวฝรั่งเศส ตั้งตามชื่อของปารีสในภาษาละติน ซึ่งในสมัยก่อนเรียก Lutetia มีประโยชน์ใช้ในเครื่อง PET (positron emission tomography) และทำแก้วที่มีค่าดัชนีหักเหของแสงค่อนข้างสูง
16. Scandium สัญลักษณ์ Sc พบในปี 1879 โดย Lars F. Nilson ชาวสวีเดน ตั้งตามชื่อเป็นเกียรติแก่ประเทศ Scandinavia เพราะผู้พบเป็นชาวสวีเดน
17. Yttrium สัญลักษณ์ Y พบในปี 1794 โดย Johan Gadolin ชาวฟินแลนด์ในสารประกอบ Yttria ตั้งตามชื่อเมือง Ytterby ใช้ทำหลอดไฟเรืองแสง
ถึงชื่อจะบอกว่าเป็นธาตุหายาก แต่ในความเป็นจริง ธาตุเหล่านี้หาได้ไม่ยากแม้จะได้ไม่ง่ายเท่าเหล็กหรือนิกเกิล เพียงแต่การขุดแร่นี้ให้ผลไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ โลกมีประเทศ 4 ประเทศที่มีธาตุหายากรวมกัน 76% เช่น ออสเตรเลียมี 5% รัสเซีย 6% อเมริกา 13% และจีนเป็นประเทศที่มีธาตุหายากมากที่สุดถึง 52% ก่อนปี 1984 สหรัฐอเมริกามีการขุดธาตุหายากที่เหมือง Mountain Pass ใน California แต่เมื่อจีนลงมือขุด และขายสิ่งที่ขุดได้ในราคาต่ำ เหมืองธาตุหายากในอเมริกาก็ถึงขั้นต้องล้มละลาย
ณ วันนี้ 97% ของธาตุหายากที่ผลิตได้มาจากจีน ดังนั้น ถ้าความขัดแย้งทางการเมืองใดๆ หรือถ้าจีนตัดสินใจลดการผลิตธาตุหายากตลาดแร่ก็จะถูกกระทบกระเทือนทันที ดังในปี 1992 ประธานาธิบดี Deng Xiaoping ของจีนได้กล่าวทำนองขู่ว่า “เมื่อประเทศตะวันออกกลางมีน้ำมัน ประเทศจีนก็มีแร่ธาตุหายาก และจีนจะเป็นประเทศที่ผลิตธาตุหายากป้อนตลาดโลกได้อีกนาน 100 ปี
ครั้นเมื่อบริษัทอเมริกันคิดจะเริ่มขุดธาตุหายากอีกที่ Mountain Pass โครงการก็ประสบปัญหาเพราะต้องการทุนมหาศาล และการขุดเหมืองจะมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
โลกปัจจุบันผลิตธาตุหายากได้ปีละ 117,000 ตัน และขายแร่ เช่น yttrium ในราคาปอนด์ละ 68 ดอลลาร์
เพราะความต้องการธาตุหายากเพิ่มทุกปี จากการที่นักเทคโนโลยีใช้ธาตุหายากในการทำอุปกรณ์เทคโนโลยีมากมาย เช่น ผสมกับเหล็กหรืออลูมิเนียมจะทำให้ได้วัสดุที่แข็งและทนความร้อนได้ยิ่งกว่าวัสดุผสมอื่นๆ โดยเฉพาะ yttrium ใช้มากในการทำเลเซอร์ที่ให้แสง infrared และเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง รวมถึงใช้ใน geolite เพื่อสลายสารประกอบ hydrocarbon ในอุตสาหกรรมน้ำมัน วงการทหารนิยมใช้แม่เหล็กที่มี samarium และ cobalt ปนในระบบนำวิถีของจรวด อุตสาหกรรมทำ disk คอมพิวเตอร์ หลอดไฟเรืองแสง ตัวเร่งปฏิกริยา และ fuel cell ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ไฟฟ้าสำหรับรถยนตร์ก็ใช้ธาตุหายากด้วย
ในช่วงปี 1960-1970 จีนไม่ได้ผลิตธาตุหายากในปริมาณมาก และต้องซื้อธาตุหายากในราคาสูงเป็นสินค้านำเข้า แต่เมื่อจีนให้นักเคมีระดับสุดยอดชื่อ Xu Guangxian ผู้แยกไอโซโทปของยูเรเนียม-235 ในโครงการระเบิดปรมาณูของจีนมาทำงานที่ภาควิชาเคมีของมหาวิทยาลัยปักกิ่ง และในปี 1964 ที่มีการปฏิรูปสังคมครั้งใหญ่ Xu กับอาจารย์มหาวิทยาลัยจำนวนนับ 1,000 คนถูกพวก Red Guard กักตัว เพราะ Xu ซึ่งจบปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Columbia ในอเมริกาจึงถูกตั้งข้อหาว่าเป็นสายลับให้อเมริกา และพวก Red Guard เฝ้าจับตาดู Xu ตลอดเวลา จน Xu คิดจะฆ่าตัวตาย แต่หลังจากที่ถูกกักบริเวณนาน 6 เดือน Xu ก็ถูกปล่อยให้ออกไปทำนาในชนบท
จนถึงปี 1971 Xu ได้หวนกลับไปทำงานเป็นอาจารย์ประจำที่มหาวิทยาลัยปักกิ่งอีก และได้รับมอบหมายจากรัฐบาลจีนให้แก้ปัญหาเร่งด่วนของชาติ คือแยกแร่ praseodymium และ neodymium จากแร่ผสมซึ่ง Xu พบว่า ยากกว่าการแยก uranium-235 มาก
หลังจากที่เวลาผ่านไป 4 ปี Xu กับคณะก็ประสบความสำเร็จ และเทคนิคใหม่นี้ทำให้ Xu ได้รับรางวัล State Supreme Science and Technology ซึ่งเป็นเกียรติสูงสุดของประเทศจากท่านนายกรัฐมนตรี Wen Jiabao ในปี 2009
ความสำเร็จของ Xu ได้กระตุ้นให้จีนเริ่มสร้างอุตสาหกรรมธาตุหายากอย่างขนานใหญ่ เช่น มีการจัดตั้งสถาบันวิจัยธาตุหายากชื่อ Baotou Research Institute of Rare Earths (BRIRE) ขึ้นที่เมือง Baotou ซึ่งมีพนักงานวิทยาศาสตร์ประมาณ 300 คน ทำงานร่วมกับบริษัท Baotou Iron and Steel ในการผลิตเหล็กกล้า
ในด้านการผลิตแบตเตอรี่เก็บไฮโดรเจน และเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) นั้น นักวิจัยของ BRIRE ได้พบว่า มีสารประกอบแร่ธาตุหายาก 5 ชนิดที่สามารถดูดซับแก๊สไฮโดรเจนได้ เช่น lanthanium nickel (LaNi5 ) ทำให้สามารถชาร์จไฟซ้ำได้ และพนักงานของสถาบัน BRIRE ได้พบว่า สารผสมระหว่าง lanthanum-iron กับboron ทำงานได้ดีกว่า LaNi5 ถึง 2 เท่า
ธาตุหายากยังมีประโยชน์ในการทำให้วัสดุสามารถเปลี่ยนรูปทรงได้ เวลาอยู่ในสนามแม่เหล็ก วัสดุที่แสดงปรากฎการณ์ magnetostriction นี้ประกอบด้วย terbium ที่ใช้ในอุปกรณ์ sonar และ actuator
ด้านนักเทคโนโลยีก็ต้องการแม่เหล็กถาวรซึ่งทำด้วยสารผสม neodymium, iron และ boron และความต้องการเรื่องนี้ได้เพิ่มปีละ 15% โดยเฉพาะแม่เหล็กที่มี neodymium เป็นอุปกรณ์ที่จำเป็นมากในเครื่อง MRI รวมถึงโทรศัพท์มือถือ และหูฟังเพื่อใช้ขยายเสียง
ในปี 2005 สถาบัน BRIRE ยังได้พบว่า สารประกอบของ lanthanum ที่ถูกโด๊ปด้วย boron สามารถแสดงสมบัติด้าน magnetocaloric ได้ ซึ่งสามารถใช้ทำตู้เย็นซึ่งสมบัติแม่เหล็กของแร่สามารถทำให้สารเย็นได้
การวิจัยและพัฒนาธาตุหายากส่วนใหญ่ในจีนยังเป็นงานในมหาวิทยาลัย แต่ขณะนี้โลกกำลังกังวลเรื่องนโยบายส่งธาตุหายากออกนอกประเทศของจีน และจีนก็พยายามทำให้ประชาคมโลก เชื่อว่าจีนจะไม่มี “แกล้ง” ชาติอื่นๆ ในการใช้ธาตุหายากเป็นอาวุธแห่งศตวรรษที่ 21
นโยบายของจีนในเรื่องธาตุหายากนี้เป็นประเด็นที่อ่อนไหวมาก เพราะจีนรู้ว่าโลกตะวันตกโดยเฉพาะอเมริกาต้องการธาตุหายากมาก แต่ในขณะเดียวกัน จีนก็รู้ว่า ธาตุหายากมีประโยชน์ทั้งในทางทหารและเทคโนโลยี ซึ่งจะทำให้จีนไม่ปลอดภัย ถ้าถูกอเมริการุกราน
อ่านเพิ่มเติมจาก A Tale of 7 Elements โดย Eric Seerri จัดพิมพ์โดย Oxford University Press ปี 2013
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
