Scandium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Scandium

Scandium là một nguyên tố kim loại chuyển tiếp hiếm, thuộc nhóm 3 của bảng tuần hoàn, ký hiệu là Sc và có số nguyên tử 21. Nó là nguyên tố đầu tiên trong nhóm các nguyên tố đất hiếm nhẹ, dù trong một số cách phân loại, scandium cũng được liệt kê như một kim loại chuyển tiếp. Được phát hiện năm 1879 bởi nhà hóa học Lars Fredrik Nilson tại Thụy Điển, scandium lần đầu tiên được chiết xuất từ khoáng vật euxenit và thortveitit. Nilson đặt tên nguyên tố này theo tên bán đảo Scandinavia, thể hiện nguồn gốc địa lý của phát hiện.

Scandium tồn tại trong tự nhiên chủ yếu dưới dạng hợp chất, không phải dưới dạng nguyên chất. Trong vỏ Trái Đất, nó có mặt với nồng độ thấp nhưng khá phổ biến, ước tính khoảng 18–25 ppm. Tuy nhiên, do phân bố rộng rãi và không tập trung, việc khai thác scandium dưới dạng thương mại là một thách thức lớn, chỉ thực hiện được ở vài quốc gia có công nghệ tinh chế tiên tiến và nguồn quặng phù hợp.

Việc scandium không được khai thác rộng rãi đã khiến nó trở thành một nguyên tố đắt đỏ và hiếm trong thương mại. Mặc dù vậy, với những ứng dụng đặc biệt và ngày càng gia tăng trong công nghiệp, năng lượng và vật liệu, scandium đang dần trở thành một nguyên tố có giá trị chiến lược trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao.

Đặc điểm vật lý và hóa học

Scandium là kim loại mềm, có ánh bạc và khả năng dẫn điện tốt. Khi mới cắt, bề mặt của nó có độ bóng cao, nhưng nhanh chóng bị xỉn màu do phản ứng với oxy trong không khí. Bề mặt tiếp xúc lâu với không khí thường chuyển sang ánh vàng nhạt hoặc hồng nhẹ vì lớp oxit bảo vệ hình thành.

Về mặt hóa học, scandium thường biểu hiện trạng thái oxi hóa +3, là dạng ổn định nhất của nó. Các ion Sc³⁺ có bán kính nhỏ, khả năng tạo liên kết mạnh với các ligand, đặc biệt với fluor, oxalate và các anion giàu điện tích âm. Scandium có khả năng phản ứng với nước nóng, giải phóng hydro và tạo ra scandium hydroxide. Trong dung dịch axit, scandium hòa tan dễ dàng, tạo thành phức chất Sc³⁺ tan tốt trong nước.

Bảng dưới đây tổng hợp một số đặc tính vật lý nổi bật của scandium:

Thuộc tính	Giá trị
Khối lượng nguyên tử	44,96 u
Mật độ	2,99 g/cm³
Điểm nóng chảy	1541°C
Điểm sôi	2836°C
Cấu hình electron	[Ar] 3d¹ 4s²
Trạng thái oxi hóa phổ biến	+3

Scandium có thể hợp kim hóa với nhiều kim loại khác như nhôm, magie, titan... tạo ra vật liệu có độ bền cơ học cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Điều này làm tăng giá trị ứng dụng trong hàng không, quốc phòng và thiết bị thể thao cao cấp.

Phân bố và khai thác

Dù được xếp vào nhóm nguyên tố hiếm, scandium lại có mặt khá phổ biến trong lớp vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, nó thường chỉ hiện diện dưới dạng vết trong hơn 800 loại khoáng vật khác nhau, đặc biệt là các khoáng vật chứa nhôm, sắt và đất hiếm. Scandium hiếm khi tích tụ ở nồng độ đủ lớn để có thể khai thác kinh tế như một khoáng sản độc lập.

Các nguồn khai thác chính hiện nay gồm:

• Khoáng vật thortveitit (Sc₂Si₂O₇): chứa tới 45% scandium oxide (Sc₂O₃)
• Khoáng vật euxenit và gadolinit: nguồn chứa hỗn hợp đất hiếm và uranium
• Bùn đỏ (red mud): phụ phẩm từ quá trình sản xuất nhôm từ bauxite
• Đá niken laterit và đất hiếm ở Trung Quốc, Philippines, Australia

Do quá trình tinh luyện phức tạp và chi phí cao, sản lượng scandium toàn cầu vẫn còn thấp, khoảng 15–20 tấn Sc₂O₃ mỗi năm. Trung Quốc, Nga, Ukraine và Philippines là các nước có năng lực khai thác hoặc tinh chế đáng kể.

Các công ty như Scandium International Mining Corp và Clean TeQ (Úc) đang triển khai nhiều dự án khai thác quy mô lớn, nhằm tăng nguồn cung toàn cầu và giảm chi phí sản xuất trong tương lai.

Hợp kim nhôm-scandium

Scandium có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất cơ học của hợp kim nhôm, mặc dù chỉ cần bổ sung một lượng rất nhỏ (0,1–0,5%). Trong hợp kim, scandium hoạt động như một nguyên tố vi hợp kim (microalloy), giúp tinh luyện kích thước hạt, làm tăng độ bền kéo và độ cứng của vật liệu mà không làm tăng trọng lượng tổng thể.

Một số lợi ích chính của hợp kim nhôm-scandium bao gồm:

• Gia tăng khả năng chống nứt do nhiệt và cải thiện khả năng hàn
• Giảm khối lượng thiết kế nhờ tăng cường độ cơ học
• Ổn định cấu trúc hạt ở nhiệt độ cao, kéo dài tuổi thọ vật liệu

Hợp kim này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như:

1. Chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, thân máy bay không người lái (UAV)
2. Khung xe đạp, vợt tennis, gậy golf trong thiết bị thể thao cao cấp
3. Hàn chính xác và in 3D kim loại cho các cấu trúc yêu cầu cao

Sự kết hợp giữa khối lượng nhẹ và hiệu năng cơ học ưu việt giúp hợp kim nhôm-scandium ngày càng được ưa chuộng, đặc biệt trong các ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt về độ bền và hiệu suất sử dụng năng lượng.

Ứng dụng trong công nghệ năng lượng

Scandium có vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là công nghệ pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells). Trong loại pin này, chất điện phân thông thường là yttria-stabilized zirconia (YSZ), nhưng khi thay thế hoặc pha trộn một phần với scandia (Sc₂O₃), hiệu suất dẫn ion và tính ổn định nhiệt của vật liệu được cải thiện rõ rệt.

Scandia-stabilized zirconia (SSZ) là một vật liệu điện phân lý tưởng cho SOFC nhờ vào các ưu điểm:

• Độ dẫn ion cao hơn ở nhiệt độ từ 600°C đến 850°C
• Tuổi thọ vận hành lâu hơn so với YSZ do ít suy giảm cấu trúc
• Giảm tiêu thụ năng lượng vì pin hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn

Việc sử dụng scandium trong SOFC đặc biệt có ý nghĩa trong phát triển các hệ thống điện phân tán, máy phát điện nhỏ và thiết bị năng lượng dùng trong môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, chi phí cao của scandium là rào cản lớn khiến các nghiên cứu hiện tập trung vào tối ưu hóa hàm lượng và hiệu suất sử dụng trong từng đơn vị pin.

Ứng dụng trong chiếu sáng và điện tử

Một lĩnh vực khác mà scandium phát huy giá trị là công nghệ chiếu sáng. Khi được kết hợp với iod và halide kim loại khác trong đèn hồ quang kim loại (metal halide lamps), scandium giúp tạo ra ánh sáng có phổ gần ánh sáng tự nhiên, với chỉ số hoàn màu cao và hiệu suất quang học vượt trội. Điều này lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng chiếu sáng cao như:

• Sân vận động, nhà thi đấu thể thao
• Đèn chiếu sân khấu và studio truyền hình
• Đèn pha công suất lớn trong công nghiệp và giao thông

Scandium còn được ứng dụng trong các linh kiện điện tử nhờ vào đặc tính ổn định nhiệt và điện môi. Một số nghiên cứu đã thử nghiệm việc tích hợp scandium vào điện cực hoặc lớp màng của các thiết bị bán dẫn để cải thiện hiệu suất hoạt động ở nhiệt độ cao.

Ngoài ra, hợp chất của scandium còn có tiềm năng trong công nghệ cảm biến, đầu dò bức xạ và bộ cộng hưởng quang học, mở ra nhiều hướng đi mới trong ngành điện tử cao cấp và quốc phòng.

Ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường

Theo các nghiên cứu hiện tại, scandium ở trạng thái nguyên chất có độc tính thấp đối với người và động vật. Tuy nhiên, một số hợp chất của scandium, đặc biệt là dạng muối hoà tan như scandium chloride (ScCl₃), có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp khi tiếp xúc trực tiếp hoặc hít phải lâu dài.

Các tổ chức an toàn lao động như OSHA và NIOSH chưa thiết lập ngưỡng tiếp xúc giới hạn cụ thể cho scandium, nhưng khuyến nghị tuân thủ các quy trình an toàn hóa chất tiêu chuẩn. Điều này bao gồm:

• Đeo khẩu trang, găng tay, kính bảo hộ khi xử lý hợp chất scandium
• Làm việc trong không gian thông gió tốt
• Lưu trữ hợp chất scandium trong bình kín, tránh ánh sáng và độ ẩm

Về mặt môi trường, scandium không có tính tích lũy sinh học đáng kể và không được xếp vào nhóm kim loại nặng nguy hiểm. Tuy nhiên, quá trình khai thác và tinh chế scandium từ quặng hoặc từ bùn đỏ có thể tạo ra chất thải chứa fluor, sulfat, kim loại nặng hoặc chất phóng xạ kèm theo. Việc xử lý chất thải này đòi hỏi công nghệ và quy định kiểm soát nghiêm ngặt.

Thị trường và triển vọng

Hiện tại, scandium là một nguyên tố quý hiếm trong thương mại do nguồn cung hạn chế và quy trình khai thác – tinh chế phức tạp. Giá scandium oxide dao động từ 3000 đến 5000 USD/kg tùy theo độ tinh khiết và quy mô đặt hàng. Phần lớn nguồn cung hiện nay đến từ Trung Quốc và Nga, trong khi nhu cầu lại chủ yếu ở Mỹ, EU và Nhật Bản.

Do đó, nhiều quốc gia và công ty đang tập trung vào các hướng phát triển sau:

1. Đầu tư vào mỏ scandium mới tại Úc, Canada, Mỹ để chủ động nguồn cung
2. Nghiên cứu tái chế scandium từ tro bay, bùn đỏ, hoặc sản phẩm phụ trong luyện kim
3. Tối ưu hoá hợp kim hóa để dùng scandium hiệu quả với liều lượng thấp

Một số dự án nổi bật như dự án Sunrise của S² Resources tại Úc và kế hoạch tái chế scandium từ quặng niken của Clean TeQ đang mở ra triển vọng đáng kể cho việc mở rộng thị trường và giảm chi phí nguyên liệu.

Từ năm 2020, scandium đã được EU và Mỹ đưa vào danh sách “nguyên tố quan trọng” (critical elements) trong chiến lược đảm bảo an ninh nguyên vật liệu. Điều này đồng nghĩa với việc sẽ có nhiều ưu đãi và hỗ trợ cho các dự án khai thác, nghiên cứu và ứng dụng scandium trong tương lai gần.

Kết luận

Scandium là một nguyên tố hiếm mang lại giá trị cao trong các lĩnh vực từ hàng không, năng lượng, chiếu sáng đến điện tử nhờ vào đặc tính độc đáo về cơ học, nhiệt và hóa học. Mặc dù nguồn cung còn hạn chế, nhưng với xu hướng công nghệ ngày càng đòi hỏi vật liệu cao cấp, scandium có tiềm năng trở thành kim loại chiến lược quan trọng trong thế kỷ 21.

Để khai thác hiệu quả tiềm năng của scandium, cần có sự phối hợp giữa đầu tư khai thác bền vững, đổi mới công nghệ xử lý và ứng dụng, cùng với hành lang pháp lý rõ ràng và cơ chế hỗ trợ từ phía chính phủ. Trong bối cảnh kinh tế tuần hoàn và năng lượng xanh, scandium có thể là chìa khóa thúc đẩy đổi mới vật liệu trong các ngành công nghiệp mũi nhọn toàn cầu.