Le diverse applicazioni dell'afnio metallico

La maggior parte dell'afnio prodotto viene utilizzato nella fabbricazione di barre di controllo per reattori nucleari.[28]

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L'afnio ha applicazioni tecniche limitate a causa di alcuni fattori. Innanzitutto è molto simile allo zirconio, un elemento più abbondante che può essere utilizzato nella maggior parte dei casi. In secondo luogo, l’afnio puro non era ampiamente disponibile fino alla fine degli anni ’50, quando divenne un sottoprodotto della necessità dell’industria nucleare di zirconio privo di afnio.

Applicazioni:

Reattori nucleari

I nuclei di diversi isotopi di afnio possono assorbire ciascuno più neutroni. Ciò rende l'afnio un buon materiale per le barre di controllo dei reattori nucleari. La sua sezione d'urto di cattura dei neutroni (Capture Resonance Integral Io ≈ 2000 barns)[59] è circa 600 volte quella dello zirconio (altri elementi che sono buoni assorbitori di neutroni per le barre di controllo sono il cadmio e il boro). Eccellenti proprietà meccaniche ed eccezionali proprietà di resistenza alla corrosione ne consentono l'uso nell'ambiente difficile dei reattori ad acqua pressurizzata.[28] Il reattore di ricerca tedesco FRM II utilizza l'afnio come assorbitore di neutroni.[60] È anche comune nei reattori militari, in particolare nei reattori sottomarini navali statunitensi, rallentare velocità dei reattori troppo elevate. Si trova raramente nei reattori civili, il primo nucleo della centrale atomica di Shippingport (una conversione di un reattore navale) è una notevole eccezione.[63]

Leghe

L'ugello del razzo contenente afnio del modulo lunare Apollo nell'angolo in basso a destra

L'afnio è utilizzato in leghe con ferro, titanio, niobio, tantalio e altri metalli. Una lega utilizzata per gli ugelli dei propulsori dei razzi liquidi, ad esempio il motore principale dei moduli lunari Apollo, è la C103, composta per l'89% da niobio, per il 10% da afnio e per l'1% da titanio.[64]

Piccole aggiunte di afnio aumentano l'aderenza delle scaglie di ossido protettive sulle leghe a base di nichel. Migliora quindi la resistenza alla corrosione, soprattutto in condizioni di temperatura ciclica che tendono a rompere le scaglie di ossido, inducendo stress termici tra il materiale sfuso e lo strato di ossido.[65] [66] [67]

Microprocessori

I composti a base di afnio sono impiegati nelle porte dei transistor come isolanti nella generazione di circuiti integrati da 45 nm (e inferiori) di Intel, IBM e altri. I composti a base di ossido di afnio sono pratici dielettrici ad alto k, che consentono la riduzione della corrente di dispersione di gate che migliora le prestazioni su tali scale.

Geochimica degli isotopi

In most geologic materials, zircon is the dominant host of hafnium (>10,000 ppm) ed è spesso al centro degli studi sull'afnio in geologia.[77] L'afnio viene facilmente sostituito nel reticolo cristallino dello zirconio ed è quindi molto resistente alla mobilità e alla contaminazione dell'afnio. Lo zirconio ha anche un rapporto Lu/Hf estremamente basso, rendendo minima qualsiasi correzione per il lutezio iniziale. Sebbene il sistema Lu/Hf possa essere utilizzato per calcolare una "età modello", cioè il tempo in cui è stato ricavato da un dato serbatoio isotopico come il mantello impoverito, queste "età" non hanno lo stesso significato geologico di altri sistemi. tecniche geocronologiche poiché i risultati spesso producono miscele isotopiche e quindi forniscono un'età media del materiale da cui è stato derivato.

Il granato è un altro minerale che contiene quantità apprezzabili di afnio per fungere da geocronometro. Gli elevati e variabili rapporti Lu/Hf riscontrati nel granato lo rendono utile per la datazione di eventi metamorfici.

Altri usi

Grazie alla sua resistenza al calore e alla sua affinità con l'ossigeno e l'azoto, l'afnio è un buon depuratore di ossigeno e azoto nelle lampade a gas e a incandescenza. L'afnio viene utilizzato anche come elettrodo nel taglio al plasma a causa della sua capacità di rilasciare elettroni nell'aria.[79]

L’elevato contenuto energetico di 178 m2Hf era la preoccupazione di un programma finanziato dalla DARPA negli Stati Uniti. Questo programma alla fine concluse che l’uso del summenzionato isomero nucleare dell’afnio da 178 m2Hf per costruire armi ad alto rendimento con meccanismi di attivazione dei raggi X – un’applicazione di emissione gamma indotta – era irrealizzabile a causa dei suoi costi. Vedi controversia sull'afnio.

I composti metallocenici dell'afnio possono essere preparati dal tetracloruro di afnio e da varie specie di ligandi di tipo ciclopentadiene. Forse il metallocene di afnio più semplice è l'afnocene dicloruro. I metalloceni di afnio fanno parte di un'ampia raccolta di catalizzatori metallocenici di metalli di transizione del Gruppo 4 [80] utilizzati in tutto il mondo nella produzione di resine poliolefiniche come polietilene e polipropilene.

Un catalizzatore piridil-ammido afnio può essere utilizzato per la polimerizzazione isoselettiva controllata del propilene che può poi essere combinato con il polietilene per produrre una plastica riciclata molto più resistente.

Il diseleniuro di afnio è studiato in spintronica grazie alla sua onda di densità di carica e alla superconduttività.