Поєднанням малої ваги та високої температури плавлення. Будучи 21-м елементом таблиці Менделєєва, він розташовується під алюмінієм в підгрупі ЗБ, відрізняючись від останнього втричі вищою температурою плавлення, а від сусіднього титану - в півтора рази більшою міцність. Сріблястий з жовтим відливом скандій, помітно окислюється на повітрі лише при нагріванні вище 250°С, міг би стати прекрасним конструкційним
матеріалом, може бути, навіть основою цивілізації. Однак не став.
Чим поганий скандій
Тим, що він надзвичайно розсіяний. Скандію в земній корі 10-3-10-4%. Це не так уже й мало, якщо порівняти з благородними платиною (10-7), золотом (10-8) і навіть сріблом (10-6). Хоча до сусідів по таблиці, наприклад кальцію або титану, йому дуже далеко. Але ось по розсіяності скандій - рекордсмен: рідко в якому мінералі його вміст досягає 10 грамів на тонну. Тому добувати його не те щоб складно, але дуже дорого. Ціна на більш-менш чистий скандій в рази перевищує ціну золота. Такий метал ніяк не може стати основою цивілізації, хоча він і міститься у відвалах багатьох підприємств з виробництва металів або фосфорних добрив.
Яку роль зіграв скандій в утвердженні Періодичної системи
Сформулювавши свій закон, Менделєєв передбачив властивості елементів в незаповнених комірках таблиці. Серед них був і елемент 21, названий їм екабором. У 1879 році швед Ларі Нільсон виявив в мінералі ауксеніті елемент, властивості якого виявилися практично ідентичні екабору. Цей елемент, названий скандієм в честь батьківщини Нільсона, став другим доказом справедливості закону: першим був відкритий в 1875 році екалюміній - галій.
Навіщо скандій металознавцям
Якби він не був настільки рідкісним і дорогим, технологи могли б знайти йому багато застосувань. Головне - аерокосмічна промисловість. Так, добавка скандію в найдрібніших кількостях (частки вагового відсотка) в сплави алюмінію і алюмінію з магнієм істотно, на десятки відсотків, а часом і в рази збільшує механічні властивості: твердість, міцність, тривалу міцність. Пластичність ж при цьому не зменшується. Ефекти досягаються за рахунок того, що скандій, по-перше, сильно зменшує розмір зерен металу, а по-друге, виділяється у вигляді зміцнюючих часток інтерметалліда - скандіда алюмінію AlSc2. І замінити його нічим. Ось дослід, поставлений німецькими вченими («Surface and Coatings Technology», 7 листопада 2012р.), які робили тонку алюмінієву плівку для подальшого штампування мікроскопічних деталей. Сплав з добавкою скандію задовольняє всім вимогам технологів, але вже дуже хочеться позбутися від цього дорогого елементу. Що коли взяти хімічний аналог - ітрій, що стоїть в таблиці відразу під скандієм? Взяли і виявили, що структура плівок у обох сплавів схожа, а міцність тієї, що з ітрієм, навіть вище. Але ось пластичність впала майже до нуля. З такої плівки нічого не відштампуєш. Серед інших достоїнств алюмінієвих сплавів зі скандієм - зварюваність і поглинання радіохвиль; Останнє потрібно для полегшення маскування бойових літаків.
Легкі сплави насамперед потрібні авіації і космонавтиці. Якщо не думати про ціну, для такої важливої справи слід застосовувати найкращий матеріал. (Згадаймо слова, приписувані конструктору МІГів А.І.Мікояну: «Якщо треба, мої літаки будуть заправлятися вірменським коньяком».) Так і робили в союзі, де було поставлено завдання - отримати десять тонн скандію в рік (більше, ніж всі інші країни, разом узяті) і перетворити його в тисячу тонн високоміцного алюмінієвого сплаву. З такого сплаву, зокрема, були зроблені елементи обшивки космічного човника «Буран».
Якщо ж думати про ціну, то виникає питання: а чи окупаються витрати? Нехай літак буде важче, але дешевше, адже за станом на 2011 рік, згідно з даними з доповіді Геологічної служби США «Mineral Commodity Summaries 2012» кілограм алюміній-скандієвого сплаву коштував 220 доларів (роком раніше - 74 долари). А кілограм чистого алюмінію йшов на біржі по два долари. Мабуть, міркування економії і привели після перебудови до значного падіння попиту на скандій і скорочення його виробництва. Так, за даними тієї ж доповіді, в головній авіабудівній країні світу, США, скандій не видобувають аж з 1990 року, а користуються поставками з КНР, Росії та України. При цьому основне використання алюмінієвих сплавів зі скандієм сьогодні - виготовлення професійних бейсбольних біт, а також рам дуже дорогих гоночних велосипедів.
Втім, майбутнє цього металу автори доповіді все ж пов'язують з авіацією і космосом. Може бути, мається на увазі друге народження відомих легких сплавів, а може бути, і унікальний новий матеріал - беріллід скандію ScBe16. Це найлегший з можливих (питома молекулярна вагу в розрахунку на один атом виявляється трохи більше 11, тобто менше, ніж у вуглецю) металевий конструкційний матеріал, здатний витримувати температуру на повітрі до 1600°С. Ентузіасти заявляють, що, будь у нашому розпорядженні багато скандію і берилію, саме з їх интерметалліду робили б космічні кораблі, двигуни, турбіни електростанцій і багато чого ще. На жаль, при цьому вони не беруть до уваги, що інтерметалліди - речовини хоча і міцні, але, як правило, тендітні, і жоден конструктор по добрій волі такий матеріал в відповідальну конструкцію не поставить. Звичайно, можна різними хитрощами підняти пластичність матеріалу, але, якщо це потрібно робити в величезному інтервалі температур, від кімнатної до білого накалу, завдання стає практично нерозв'язне. А традиційним легким сплавам в літаках на п'яти наступають вуглепластики - матеріали найлегші і найміцніші. Тому авіаційно-космічне майбутнє сплавів зі скандієм аж ніяк не гарантовано.
Як скандій пов'язаний зі світлом
Як скандій пов'язаний зі світлом? Скандій присутній в галогенових лампах. Саме він забезпечує їм спектр випромінювання, подібний з сонячним. Вважається, що світлодіоди сьогодні витісняють такі лампи з ринку. А ось в лазерах скандій міцно зайняв своє місце: його додають до складу ітрій-галієвих гранатів - основи сучасних твердотільних лазерів. Зокрема, на іттрій-скандій-галієвому гранаті створені медицинські лазери. Наприклад, ними намагаються лікувати карієс і омолоджувати шкіру обличчя. Перший напрямок раз по раз доводить свою безперспективність: сталевий бур в порівняльних випробуваннях завжди краще вичищає хворий зуб від ураженого матеріалу, відповідно і міцність кріплення пломби при цьому буде вищою («Lasers in Medical Science», 2008, 23, 4, 435- 41). І стерилізувати зуби повністю не вдається, хоча, якщо промити канали кореня зуба гіпохлоритом натрію NaOCl і висвітлити лазером потужністю в 1 Вт, шкідливих грибків Candida albicans в них виявляється істотно менше, ніж при інших видах дезінфекції («Photomedicine and Laser Surgery», 2010, 28, Suppl 1, S73-8; dоі: 10.1089/pho.2010.2780). Що ж стосується омолодження, заради якого «випаровують» лазером верхній шар шкіри обличчя, то у гранатового лазера зі скандієм є сильний конкурент - лазер на вуглекислому газі. Різниця в тому, що імпульсний гранатовий лазер набагато менше нагріває шкіру, ніж газовий. Здавалося б, це повинно дати йому перевагу. Однак багаторазові порівняння різних лазерів цього не підтверджують. Ось опис одного з дослідів. У 28 пацієнток лиця розділили на чотири ділянки, і кожну з них обробляли випадково обраним лазером. Подальший аналіз не показав статистично значущої різниці ні в якості омолодження, ні в самопочутті пацієнток («Dermatological Surgery», 2012,38,9,1477-89; dоі: 10.1111/j.1524- 4725.2012.02500.x). Стало бути, використання різних лазерів пояснюється маркетинговими причинами, а не медичними показаннями, роблять висновок автори роботи.
Навіщо потрібен радіоактивний скандій і як його роблять
Навіщо потрібен радіоактивний скандій і як його роблять? Найцікавішим радіоактивним ізотопом виявився скандій-44 з періодом напіврозпаду 3,97 години, що випромінює позитрони. Генератором цього скандію служить радіоактивний ізотоп титан-44, з періодом напіврозпаду 60 років. З такого генератора щодня витягують порцію скандію для досліджень. А служить він для позитронно-емісійної томографії. Завдяки відносно великому часу життя скандію-44, а також тому, що після випромінювання позитрона залишається нешкідливий кальцій-44, створені на його основі препарати дозволяють стежити за тривалими переміщеннями лікарських та інших речовин в організмі.
Які нові додатки можуть з'явитися у скандію
Очевидно, що забезпечити споживання такої дорогої речовини може тільки його видатна властивість. Не виключено, що найближчим часом він допоможе накопичувати водень для пристроїв водневої енергетики, причому вага водню перевищить критичне значення в 5%. Матеріали, що містять скандій, демонструють дуже хороші результати. Так, порошок з частинок Mg65Sc35 зумів накопичити до 6,4% водню, причому через 50 циклів зарядка-розрядка здатність до накопичення впала не настільки вже сильно - до 4,3% («International Journal of Hydrogen Energy», 2013, 38, 1, 153-161). Добавка скандію істотно прискорила швидкість переміщення водню, знизивши активаційну енергію цього процесу в два рази. Розрахунок поведінки кластерів Si@Al12 зі скандієвим покриттям показав, що вони, по-перше, не будуть злипатися, а по-друге, зможуть накопичити більше 6% водню («Journal of Chemical Physics», 2010,132,22,224308; dоі: 10.1063/1.3439689). Аналогічний розрахунок для наночешуєк графена, декорованих з торця скандієм, пророкує накопичення вже 9% водню, причому з дивно низьким значенням енергії зв'язку («Nanoscale», 2012 4,3, 915-20; dоі: 10.1039/с2nr11257d). Для графена з кальцієм ті ж дослідники отримали ємність лише в 5%. Мабуть, тепер справа за експериментальною перевіркою. А ось пористі полімери, навіть зі скандієм, на рекорд не пішли - вони вбирають в себе не більше 3 ваг. % Водню.
Чим скандій схожий на червону ртуть
Три речовини: скандій, червона ртуть і ізотопно-чистий осмій-187 прославилися наприкінці перебудови тим, що всі більш-менш пов'язані з металургією люди розшукували їх в надії миттєво розбагатіти. Спокуса була дуже великий, адже грами цих металів оцінювалися в сотні доларів. Ажіотаж підігрівався тією обставиною, що в радянську епоху було прийнято замовляти деякі елементи в надмірній кількості, наприклад, щоб вибрати в кінці року виділені на фінансування інституту фонди. В результаті у багатьох в запасниках скупчилися усілякі рідкісні і дорогі речовини - реній, індій, лантан, ніобій, гафній, той же скандій. Через деякий час запаси списували, метал же залишався в столі на всякий випадок для майбутніх досліджень. З розвитком товарно-грошових відношень з'явилася можливість обернути ці запаси в готівку. Багато хто зуміли цією можливістю скористатися - Невідомо, але плітки про те, що є попит на дорогі метали, поширилися зі швидкістю степової пожежі. Якщо червона ртуть - речовина швидше вигадана, а осмій-187 - надзвичайно спеціальна, то скандій - нехай рідкісний, але всім зрозумілий легуючий елемент спеціальних сплавів.
Про операції «скандій-червона ртуть-осмій-187» є кілька думок. За однією, найбільш невинною, західні партнери таким чином шукали постачальників цінної сировини із-за залізної завіси. За іншою - її організували спецслужби для виявлення каналів контрабанди та витоку державної таємниці. Конспірологи стверджують: таким способом за фіктивними контрактами в союз були завезені гроші для оплати підривних дій - фіктивно вивозити метал, два кілограми якого тягнуть на півмільйона доларів, легше, ніж вагони з алюмінієм. Втім, це могло бути банальним розкраданням радянських запасів, наприклад, в результаті перепродажу металу за заниженою ціною. Коштував же скандій і тоді, і зараз дуже дорого, в чому можна переконатися, погортавши згаданий американський звіт: один грам скандію, наприклад, у формі дендритів (їх отримують, осаджуючи чистий метал з пару) коштував у 2011 році 199 доларів (приблизно в чотири рази дорожче золота), а в 2007-му - 208 доларів. Це не сильно відрізняється від 191 долара - вартості грама тих же дендритів чистотою 99,99% в 1994 році.
У всій цій історії зовсім незрозуміло, кому потрібен скандій, якщо виробництво матеріалів на його основі невелике і всі постачальники настільки добре відомі, що звертатися до чорного ринку не має сенсу. Є думка, що вся процедура пов'язана з обманом банкірів. Дорогий метал - відмінний засіб застави, якщо ж він тобі дістався дешево, а то і безкоштовно, то можна з легким серцем взяти під нього кредит, переклавши на банкірів головний біль, пов'язаний з подальшим продажем дорогогої, але мало кому потрібної речовини. Не виключено, що радянський скандій досі обертається в цій далекій від матеріалознавства сфері.
