Tantalum là gì vậy?

Cảm hứng tiêu đề từ Jack Ryan của Amazon.

Tiêu điểm:

• Tantali là gì và lịch sử của nó
• Vai trò thiết yếu của tantali trong lĩnh vực điện tử
• Tantali được khai thác và sản xuất ở đâu
• Rủi ro nguồn cung tantali

Doanh nghiệp của bạn đã từng nghe về thần thoại Tantalus chưa? Vị vua Hy Lạp này nổi tiếng với hình phạt của mình trong vực thẳm sâu Tartarus, nơi ông phải đứng trong một vũng nước dưới một cây có quả mọc trên cành thấp. Trái cây mãi luôn ngoài tầm với của ông và nước sẽ rút đi mỗi khi ông cúi xuống lấy để uống.

‍

‍

Thật ngứa ngáy, khó chịu.

Nhưng đây không phải là một bài học về thần thoại Hy Lạp. Mục đích là giới thiệu về nguồn gốc của tantali — một kim loại màu xám, cứng, nặng với khả năng chống ăn mòn ưu việt, đồng thời được xếp vào nhóm "nguyên tố đất hiếm". Và đúng như tên gọi, tantali cực kỳ hiếm: trung bình chỉ có 2 phần triệu trong vỏ trái đất.

Lược sử về tantali

Năm 1802, Anders Gustav Ekeberg đã báo cáo về một kim loại mới tại Đại học Uppsala ở Thụy Điển. Tantali được đặt tên theo thần thoại Hy Lạp vì đã đặt ra một “vấn đề nan giải” khi thử hòa tan kim loại này trong acid.

Bởi không thể phân hủy bằng acid, các nhà phân tích ban đầu cho rằng tantali giống hệt với niobi — một kim loại đã được phát hiện trước đó.

Lúc đó chưa ai biết rằng tantali và niobi thường xuất hiện cùng nhau và có đặc tính hóa học rất giống nhau. Mãi đến năm 1846, Heinrich Rose mới phát hiện hai nguyên tố này có thể tách riêng được bằng quá trình xử lý hóa học, chứng thực tantali và niobi là hai nguyên tố tách biệt.

Dù vậy, mẫu tantali của Rose vẫn chưa đạt độ tinh khiết tuyệt đối. Phải đến năm 1903, Werner von Bolton mới tách ra được tantali tinh khiết.

Việc phát hiện ra một nguyên tố mới và tinh khiết mang lại sự phấn khích cho giới nghiên cứu, nhưng ít ai nghĩ rằng kim loại này sẽ đóng vai trò quan trọng đến vậy trong việc sản xuất thiết bị điện tử di động sau này.

Tantali là gì?

Vậy kim loại màu xám được đặt tên theo vị vua Hy Lạp chịu cực hình này thực chất là gì?

Tantali đôi khi, dù rất hiếm, xuất hiện ở dạng tự do trong tự nhiên. Tuy nhiên, chủ yếu nó tồn tại dưới dạng khoáng vật columbit-tantalit, có chứa cả niobi và các kim loại khác. Tantali cũng được thu hồi thương mại dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình tách thiếc. Một công đôi việc, như cách nói thông thường.

Tantali xám, chống ăn mòn, không có vai trò sinh học rõ rệt và không độc hại. Ở nhiệt độ phòng, tantali là dạng rắn, có điểm nóng chảy và sôi cực kỳ cao: 3.017°C và 5.455°C tương ứng. Chỉ có ba kim loại khác có điểm nóng chảy cao hơn.

‍

Tantali có độ bền kéo cực lớn, gần gấp đôi thép hợp kim cường độ cao. Acids và kiềm hầu như không gây ảnh hưởng đến kim loại này.

Nhưng tạm gác khía cạnh hóa học lại. Cùng chuyển sang chủ đề khác…

Tại sao tantali thiết yếu đối với điện tử

Ứng dụng chính của tantali là sản xuất linh kiện điện tử. Đây là kim loại có khả năng lưu trữ điện lớn nhất trong số tất cả kim loại đã biết — một đặc điểm cực kỳ quan trọng.

Bề mặt tantali hình thành lớp oxide, hoạt động như một màng cách điện (điện môi) ngăn cách. Nhờ lớp này, tantali thường được phủ thành một lớp cực mỏng lên các kim loại khác giúp tạo ra điện dung lớn với thể tích rất nhỏ.

‍

Lớp tantali mỏng này với điện dung lớn tạo nên những tụ điện hấp dẫn. Tụ điện tantali là lựa chọn hấp dẫn cho thiết bị điện tử di động như điện thoại di động. Kim loại này cũng được sử dụng làm điện cực cho đèn neon và chỉnh lưu AC/DC nhờ phẩm chất chỉnh lưu tốt.

Tuy nhiên, ứng dụng của tantali không chỉ giới hạn ở điện tử tiêu dùng mà còn mở rộng sang lĩnh vực y tế. Kim loại xám đặc biệt này không gây phản ứng miễn dịch ở động vật có vú, là vật liệu cực kỳ hữu ích cho các mô cấy phẫu thuật. Tantali dạng tấm kim loại được dùng thay thế xương. Dạng lá hoặc dây dùng để nối dây thần kinh bị đứt. Khi được dệt thành gạc, tantali hữu ích trong việc nối các cơ bụng.

Các nhà sản xuất máy ảnh cũng dùng tantali oxide để tạo ra kính đặc biệt có chiết suất cao cho thấu kính máy ảnh. Ngành sản xuất hàng không vũ trụ cũng hay dùng tantali để chế tạo bộ phận máy bay và tên lửa.

Thật dễ hiểu vì sao khoáng chất đất hiếm này lại mang tên Tantalus. Rõ ràng tantali là lựa chọn “ngứa ngáy” cho nhiều ngành công nghiệp.

Tantali được khai thác và sản xuất ở đâu?

Nguyên tố quan trọng này thường xuất hiện trong đá granite đặc thù hoặc granite bị phân đoạn mạnh và các mạch pegmatit liên quan. Đối với những ai không chuyên về địa chất: tantali nằm trong đá granite và các tinh thể phát triển trên nền đá granite đó.

Tantali cũng xuất hiện trong các mỏ thiếc và có thể thu hồi từ xỉ thiếc.

Như đã đề cập, tantali thường hợp với niobi và các nguyên tố khác như vàng, mangan. Để tách tantali, người ta dùng phương pháp chiết dung môi để thu kim loại ở dạng bột, sau đó áp dụng kỹ thuật luyện kim để nén bột thành kim loại. Quá trình điện phân muối nóng chảy hoặc khử phối chất fluoro bằng kim loại hoạt động mạnh như natri cũng được sử dụng để tách tantali khỏi niobi và các nguyên tố khác.

Quốc gia sản xuất tantali lớn nhất hiện nay là Brazil, với Australia theo sát phía sau. Trước khủng hoảng kinh tế năm 2008, Australia, Canada và Mozambique là các nhà sản xuất tantali chính. Tuy nhiên, từ sau khủng hoảng, các nước này đã đóng cửa hoặc gián đoạn đáng kể hoạt động khai thác rare metal này.

Mỏ tantali lớn nhất đang hoạt động nằm ở Nazareno, Brazil, với công suất lên đến 220 tấn tantali mỗi năm, chiếm khoảng 15% tổng sản lượng toàn cầu.

‍

Rủi ro nguồn cung tantali

Royal Society of Chemistry đánh giá tantali ở mức rủi ro nguồn cung cao với điểm số 7,1 trên 10 (trong đó 10 là mức rủi ro cao nhất). Chỉ số này dựa trên các dữ liệu thể hiện trong biểu đồ dưới đây. Do độ hiếm trong vỏ trái đất, tỷ lệ tái chế thấp và khó thay thế, không có gì ngạc nhiên khi tantali được xếp vào nhóm rủi ro nguồn cung cao.

Khả năng thay thế ở mức trung bình, tức là về lý thuyết có thể thay thế tantali, nhưng điều này sẽ gây ảnh hưởng đến kinh tế hoặc hiệu suất của sản phẩm.

‍

Độ phổ biến của tantali tương đương uranium — cực kỳ hiếm. Tỷ lệ tái chế hiện tại cũng khiến tương lai nguồn cung nguyên tố thiết yếu này thêm nhiều lo ngại. Theo tốc độ hiện tại, nguồn cung tantali được dự đoán sẽ cạn kiệt chỉ trong chưa đến 50 năm tới. Đây là thách thức lớn đối với ngành điện tử thu nhỏ.

Gia tăng tỷ lệ tái chế là nhu cầu cấp thiết.

Khi nguồn cung tiếp tục khan hiếm, nhiều doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử có thể rơi vào tình cảnh “tiến thoái lưỡng nan”.

Hoặc, đúng hơn, mắc kẹt giữa một cây ăn trái và một hồ nước.