Ytri: một mỏ đá nhỏ đặt tên cho 4 nguyên tố

Hòn đá đen ở Ytterby

Năm 1787, Carl Axel Arrhenius nhặt được một hòn đá đen nặng bất thường ở mỏ fenspat trên đảo Resarö gần Stockholm. Ông là trung uý pháo binh kiêm nhà hoá học nghiệp dư. Arrhenius đoán đó là khoáng vật chứa wolfram, nguyên tố vừa được tìm ra ít lâu trước, và đặt tên khoáng vật là ytterbit theo tên làng Ytterby cạnh mỏ.

Hòn đá không chứa wolfram, mà chứa một oxit chưa ai biết. Johan Gadolin tách được oxit đó ra và công bố năm 1794. Oxit được đặt tên yttria, rồi nguyên tố trong oxit được gọi là ytri theo tên oxit. Năm 1800, khoáng vật ban đầu đổi tên thành gadolinit để ghi công Gadolin, nên tới giờ oxit và khoáng vật mang hai tên chẳng liên quan gì nhau.

Mỏ Ytterby về sau thành nơi duy nhất trên thế giới có 4 nguyên tố mang tên mỏ: ytri, tebi, erbi và ytecbi. Vài nguyên tố khác cũng lần đầu được tìm thấy trong khoáng vật lấy từ đây, nhưng danh sách ấy thì mỗi nguồn kể một khác.

Kim loại ytri thật thì tới năm 1828 Friedrich Wöhler mới tách được. Mãi đầu thập niên 1920, ký hiệu hoá học của ytri mới đổi từ Yt thành Y.

Vì sao ytri được xếp vào đất hiếm

Nhóm đất hiếm theo IUPAC gồm 17 nguyên tố: 15 nguyên tố thuộc dãy lantan, cộng scandi và ytri. Ytri không thuộc dãy lantan, nhưng luôn nằm chung một mỏ với chúng. Về mặt hoá học, ytri giống các lantan hơn là giống scandi, dù scandi mới đứng ngay trên ytri trong cùng cột.

Các nguyên tố lantan càng về cuối dãy thì nguyên tử càng co nhỏ. Vì vậy dù nặng hơn ytri nhiều, ion của chúng vẫn to xấp xỉ ion ytri. Mà trong dung dịch, kích thước ion quyết định nguyên tố phản ứng thế nào. Xếp tính chất vật lý của ytri theo số nguyên tử thì ytri rơi đúng vào khoảng giữa gadolini và erbi, dù số hiệu thật chỉ là 39.

YBCO: chất siêu dẫn đầu tiên làm lạnh bằng nitơ lỏng

Chất siêu dẫn dẫn điện không hao tổn, nhưng chỉ khi đủ lạnh. Suốt nhiều thập niên, mọi chất siêu dẫn biết tới đều phải làm lạnh bằng heli lỏng, vừa đắt vừa khó dùng. Năm 1986, Georg Bednorz và Karl Alex Müller ở IBM tìm ra một oxit đồng gốc lantan siêu dẫn ở 35 kelvin, cao hơn hẳn mọi thứ trước đó. Hai người nhận Nobel Vật lý ngay năm 1987, nhưng 35 kelvin vẫn phải làm lạnh bằng heli.

Nhóm của Paul Chu thử thay lantan bằng ytri, và nhiệt độ bắt đầu siêu dẫn nhảy lên 93 kelvin. Con số đó vượt điểm sôi của nitơ lỏng, 77 kelvin (-196 độ C). Nitơ lỏng rẻ và dễ mua tới mức bệnh viện với phòng thí nghiệm nào cũng có. Ngưỡng ấy quyết định chất siêu dẫn có ra khỏi phòng thí nghiệm được hay không.

Hợp chất đó tên YBCO, oxit của ytri, bari và đồng. Ytri không có gì đặc biệt ở đây. Thay ytri bằng đất hiếm khác thì vật liệu vẫn siêu dẫn, và ytri chỉ là chất được thử đầu tiên rồi thành công.

Ytri làm khung cho laser và đèn LED

YAG là một tinh thể nhân tạo ghép từ ytri, nhôm và oxy. Trong laser Nd:YAG, chất phát ra ánh sáng là neodymi, không phải ytri. Neodymi được cấy vào thay chỗ chừng 1% số ion ytri. Ion ytri và ion neodymi chỉ lệch nhau khoảng 3% bán kính, nên cấy vào mà mạng tinh thể gần như không méo.

YAG lại dẫn nhiệt tốt, nên chịu được nhiệt lúc laser chạy. Laser Nd:YAG chạy được lần đầu năm 1964, phát ánh sáng hồng ngoại bước sóng 1.064 nanomet. Bước sóng đó mắt không thấy nên không kích hoạt phản xạ chớp mắt, mà thuỷ tinh thể vẫn hội tụ được lên võng mạc. Vì thế chiếu nhầm vào mắt là rất nguy hiểm.

Trong y tế, loại laser này xử lý đục bao sau, biến chứng hay gặp sau mổ đục thuỷ tinh thể. Trong công nghiệp, cùng loại laser ấy cắt và hàn thép, khắc dấu lên kim loại.

Cùng tinh thể YAG đó, cấy xeri thay cho neodymi, thành một lớp bột phát sáng gọi là phosphor. Phủ bột này lên chip LED xanh dương thì một phần ánh sáng xanh đổi thành vàng, xanh trộn vàng cho ra trắng. Đó vẫn là cách làm đèn LED trắng phổ biến nhất hiện nay. Bóng đèn LED trong nhà và đèn pin điện thoại đều làm theo cách này.

Ytri giữ cho gốm zirconia khỏi nứt

Zirconia là oxit của zirconi, dùng làm gốm kỹ thuật. Zirconia nguyên chất khi nung nóng lên hay nguội đi thì đổi cách xếp tinh thể. Mỗi lần đổi lại nở hoặc co 5–6% thể tích, đủ làm vỡ món đồ. Pha thêm oxit ytri thì tinh thể đứng yên trong dải nhiệt độ rộng hơn nhiều.

Lý do là ion ytri (0,96 ångström) to hơn ion zirconi (0,82 ångström) vừa đủ để chèn cho mạng tinh thể không xê dịch. Một ångström bằng 0,1 nanomet. Loại gốm này được phủ lên cánh tuabin động cơ phản lực thành lớp chắn nhiệt dày một phần mười milimet tới hai milimet. Nhờ đó động cơ chạy nóng hơn, tới quanh 1.200 độ C, mà hợp kim bên dưới không chảy.

Ytri nằm trong quặng nào, ai bán

Ytri luôn nằm lẫn với các đất hiếm khác, nên phải tách ra bằng quy trình chung cho cả nhóm. Quặng bastnäsit chỉ chứa chừng 0,1% ytri. Quặng xenotim thì ngược lại, có thể tới 60% khối lượng là ytri phosphat. Nhưng nguồn chính bây giờ là loại đất sét ở miền nam Trung Quốc.

Đất sét ấy giữ đất hiếm bám trên bề mặt hạt, nên gọi là đất sét hấp phụ ion. Tinh quặng từ đó đạt chừng 8% ytri, và được coi là nguồn đất hiếm nặng lớn nhất thế giới. Theo USGS, sản lượng ytri oxit trong quặng đất hiếm toàn cầu ước chừng 15.000–20.000 tấn mỗi năm, phần lớn từ Trung Quốc và Myanmar.

Mỹ không đào ytri, nhập 100% lượng dùng, và 93% lượng hợp chất ytri nhập vào Mỹ đến từ Trung Quốc. Giá năm 2024 là 6 đô la một kg ytri oxit, còn kim loại ytri tinh khiết thì 33 đô la.

Hòn đá đen nhặt ở Ytterby năm 1787 mở đầu cả chuỗi 4 tên nguyên tố. Ytri là tên đầu tiên trong chuỗi ấy, đặt trước cả khi ai đó tách được kim loại ytri thật.

5 điều cần nhớ về ytri

1. 1 Mỏ đá Ytterby gần Stockholm là nơi duy nhất trên thế giới có 4 nguyên tố mang tên mỏ.
2. 2 Ytri không thuộc dãy lantan nhưng vẫn được xếp vào nhóm đất hiếm, vì ion ytri to gần bằng ion các lantan nặng nên phản ứng giống hệt.
3. 3 YBCO là chất đầu tiên siêu dẫn ở trên 77 kelvin, điểm sôi của nitơ lỏng, nên làm lạnh được bằng nitơ lỏng rẻ tiền thay vì heli lỏng.
4. 4 Trong tinh thể laser Nd:YAG, ytri chỉ làm khung mạng, còn neodymi mới phát ra ánh sáng.
5. 5 Mỹ nhập 100% lượng ytri dùng, trong đó 93% đến từ Trung Quốc.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021, các giá trị còn lại theo PubChem (NCBI/NIH). Sản lượng, tỉ lệ nhập khẩu và giá theo USGS, Mineral Commodity Summaries tháng 1/2025. Chuyện mỏ Ytterby, chuỗi đặt tên, mốc siêu dẫn của Bednorz, Müller và nhóm Paul Chu, thông số tinh thể YAG, cơ chế ổn định gốm zirconia, và hàm lượng ytri trong ba loại quặng đều theo Wikipedia, đọc bản wikitext gốc. Con số 4 nguyên tố mang tên Ytterby được ba trang nguồn độc lập xác nhận khớp nhau; danh sách rộng hơn thì mỗi nguồn kể một khác nên bài không nêu số. Đối chiếu lần cuối 12/09/2026.