가돌리늄

3. 특성

가돌리늄은 은백색의 전성이 있고 연성이 있는 희토류 원소이다. 상온, 상압에서 안정적인 결정 구조는 육방밀집구조(HCP)이다. 1235 ℃를 넘으면 체심입방구조 구조의 β형으로 변한다.^[16] 비중은 7.9, 융점은 1312 ℃, 끓는점은 약 3000 ℃이다. 물에는 서서히 녹고, 산에는 잘 녹는다. 안정적인 원자가는 +3가이다.

3. 1. 물리적 특성

3. 2. 화학적 특성

4. 동위 원소

자연에는 가돌리늄의 안정한 동위 원소 여섯 가지(¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd)와 1가지의 방사성 동위 원소(¹⁵²Gd)가 존재한다. 이 중 가장 많은 것은 ¹⁵⁸Gd으로 존재 비율은 24.84%이다. 29종류의 방사성 동위 원소가 알려져 있는데 이 중 가장 안정한 것은 ¹⁵²Gd으로 1.08×10¹⁴년의 반감기를 거쳐 알파 붕괴한다. ¹⁵⁰Gd은 1.79×10⁶년의 반감기를 가진다. 이외의 방사성 동위 원소들은 반감기가 74.7년 이하이다.^[12]160Gd의 예측된 이중 베타 붕괴는 아직 관측되지 않았다 (측정된 반감기의 실험적 하한값은 1.3×10²¹년 이상이다).^[12] 33가지의 가돌리늄 방사성 동위원소가 관측되었으며, 가장 안정적인 것은 ¹⁵²Gd(자연 발생)으로 반감기는 약 1.08×10¹⁴년이고, ¹⁵⁰Gd의 반감기는 1.79×10⁶년이다. 나머지 모든 방사성 동위원소의 반감기는 75년 미만이며, 대부분은 25초 미만이다. 가돌리늄 동위원소에는 네 가지의 준안정 핵 이성체가 있으며, 가장 안정적인 것은 ^143mGd (''t''_1/2= 110초), ^145mGd (''t''_1/2= 85초) 및 ^141mGd (''t''_1/2= 24.5초)이다.

가장 풍부한 안정 동위원소인 ¹⁵⁸Gd보다 원자 질량이 낮은 동위원소는 주로 전자 포획을 통해 유로피움 동위원소로 붕괴한다. 원자 질량이 더 큰 동위원소의 주된 붕괴 방식은 베타 붕괴이며, 주된 생성물은 테르븀 동위원소이다.¹⁵³Gd는 X선 흡수 광도 분석법이나 골다공증을 위한 골밀도 측정 등의 X선원으로 사용된다. ¹⁵⁷Gd는 가돌리늄의 동위원소 중에서 열중성자^[66]에 대한 흡수 단면적이 25만 4000번(barn)^[66]으로 매우 높아, 중성자 포획 치료의 중성자 흡수제로서의 이용이 기대되고 있다.

5. 존재 및 생산

가돌리늄은 다양한 종류의 광물에 포함되어 있다. 반응성이 큰 편이어서 순수한 상태로는 발견되지 않는다.^[16] 지각 속에는 6.2ppm 정도 함유되어 있다. 주 생산국은 중국, 미국, 브라질, 스리랑카, 인도, 호주 등이다. 매년 약 400톤 가량의 순수한 가돌리늄이 생산된다.^[16]

5. 1. 존재

5. 2. 생산

6. 용도

가돌리늄은 널리 사용되지는 않지만 몇몇 특정한 분야에서 사용된다.

가돌리늄은 안정한 핵종 중에서 가장 중성자를 많이 흡수하여 중성자 방사선 사진술과 핵반응로의 차폐물로 유용하게 사용된다. 특히 캔두형 원자로에서 급하게 핵반응을 감속시켜야 할 경우에도 사용된다. 철, 크로뮴 등의 금속에 1% 정도 혼합한 합금은 가열해도 공기 중에서 잘 산화되지 않고 금속공학적 특성이 뛰어나다. 자기장과 관련된 특성 때문에 MRI에도 사용되며 가돌리늄 화합물은 녹색 형광을 발하기 때문에 컬러 TV의 녹색 부분에 사용되기도 한다.

가돌리늄-153은 유로피움 또는 농축 가돌리늄 표적을 사용하여 원자로에서 생산되며 반감기는 240일이며, 41 keV와 102 keV에서 강한 피크를 갖는 감마선을 방출한다.^[32] 핵의학 영상 시스템이 정상적으로 작동하고 환자 내부의 방사성 동위원소 분포에 대한 유용한 영상을 생성하는지 확인하기 위해 선원 및 보정 팬텀과 같은 많은 품질 보증 응용 분야에 사용된다. 또한 X선 흡수 측정 및 골밀도 측정기를 이용한 골다공증 선별 검사에서 감마선원으로도 사용된다.

가돌리늄 이트륨 갈륨석(Gd:Y₃Al₅O₁₂)은 마이크로파 응용 분야가 있으며 다양한 광학 부품 제작 및 자기 광학 필름의 기판 재료로 사용된다.^[33] 고체산화물 연료전지(SOFC)의 전해질로 사용될 수 있는데, 세륨 산화물과 같은 물질에 가돌리늄을 첨가제로 사용하면 (가돌리늄-첨가 세리아 형태) 높은 이온 전도도와 낮은 작동 온도를 가진 전해질을 얻을 수 있다.

상온 근처에서의 자기냉각에 대한 연구가 진행 중이며, 이는 기존 냉각 방식에 비해 상당한 효율성과 환경적 이점을 제공할 수 있다. Gd₅(Si_''x''Ge_1−''x'')₄와 같은 가돌리늄 기반 물질은 높은 퀴리 온도와 거대 자기 칼로리 효과 때문에 현재 가장 유망한 물질이다. 순수 Gd 자체는 약 20°C인 퀴리 온도 근처에서 큰 자기 칼로리 효과를 나타내며, 이는 더 큰 효과와 조정 가능한 퀴리 온도를 갖는 Gd 합금을 생산하는 데 대한 관심을 불러일으켰다. Gd₅(Si_''x''Ge_1−''x'')₄에서 Si와 Ge의 조성을 변화시켜 퀴리 온도를 조절할 수 있다.

가돌리늄 바륨 구리 산화물(GdBCO)은 풍력 터빈과 같은 초전도 모터나 발전기에 응용되는 초전도체이다.^[34][35][36] 가장 많이 연구된 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)과 같은 방식으로 제조할 수 있으며, 유사한 화학적 조성(GdBa₂Cu₃O_7−''δ'')을 사용한다.^[38] 2014년에 두 개의 GdBCO 벌크 내에 17.6T의 자기장을 가두어 고온 초전도체에서 가장 높은 포획 자기장의 새로운 세계 기록을 세우는 데 사용되었다.^[39][40]

가돌리늄은 천식에서 폐 조직 흉터 발생을 예방하는 치료법으로 연구되고 있으며, 마우스 실험에서 긍정적인 효과가 관찰되었다.^[41] 일본의 슈퍼-가미오칸데 검출기에서 반중성미자 검출에 사용되어 초신성 폭발을 감지하는 데 쓰인다. 검출기의 초순수에서 양성자에 의한 반중성미자 흡수로 발생하는 저에너지 중성자는 가돌리늄 원자핵에 포획되고, 그 후 감마선을 방출하는데, 이는 반중성미자 신호의 일부로 감지된다.^[42]

가돌리늄 갈륨 가닛(GGG, Gd₃Ga₅O₁₂)는 모조 다이아몬드와 컴퓨터 버블 메모리에 사용되었다.^[43]

가돌리늄은 알려진 생물학적 역할이 없지만, 그 화합물은 생의학 연구 도구로 사용된다. Gd³⁺ 화합물은 자기공명영상 조영제의 구성 성분이다.^[61] 다양한 이온 채널 전기생리학 실험에서 나트륨 누출 채널과 신장 활성 이온 채널을 차단하는 데 사용된다.^[62] 최근에는 전자상자성공명을 통해 단백질 내 두 지점 사이의 거리를 측정하는 데 사용되고 있으며, W-밴드(95 GHz) 주파수에서 EPR 감도가 뛰어나 가돌리늄이 특히 적합하다.^[63]

6. 1. 중성자 흡수

6. 1. 1. 중성자 포획 치료 (BNCT)

6. 2. 합금

6. 3. 의료 영상

6. 3. 1. MRI 조영제

6. 4. 형광체

6. 5. 기타 용도

7. 안전성

자유 이온으로서 가돌리늄은 독성이 있지만, MRI 조영제는 킬레이트화된 화합물로, 대부분의 사람들에게 사용하기에 안전하다.^{[45][46][47][48]} 그러나 가돌리늄 기반 조영제(GBCA^[49])의 사용은 신장 기능, 킬레이트의 구조 및 투여 용량에 따라 뇌, 뼈, 피부 및 기타 조직에 가돌리늄이 침착되게 한다.^[53] 특히 신부전 환자의 경우, 가돌리늄 기반 조영제 사용으로 인해 드물지만 심각한 질병인 신성 전신 섬유증(NSF^[54])의 위험이 있다. 이 질병은 경화점액부종 및 강피증과 유사하며, 조영제 주사 후 몇 달 후에 발생할 수 있다. 이러한 NSF 위험 때문에, 말기 신부전 환자에게는 가돌리늄 제제 사용이 권장되지 않으며, 응급 투석이 필요할 수 있다.

캐나다 방사선 전문의 협회의 현재 지침^[55]에 따르면, 투석 환자는 필수적인 경우에만 가돌리늄 제제를 받아야 하며 검사 후 투석을 받아야 한다. 투석 환자에게 조영증강 MRI를 시행해야 하는 경우, 특정 고위험 조영제는 피해야 한다.^[55] 미국 방사선의학회는 예방 조치로 투석 전 가능한 한 가깝게 조영증강 MRI 검사를 시행할 것을 권장하지만, 이것이 NSF 발생 가능성을 줄이는 것으로 입증되지는 않았다.^[56] 미국 식품의약국(FDA)은 평생 여러 번 용량을 필요로 하는 환자, 임산부, 어린이 및 염증성 질환 환자에게 사용되는 GBCA의 유형을 선택할 때 가돌리늄 축적 가능성을 고려할 것을 권장한다.^[57]

아나필락토이드 반응은 드물게(약 0.03~0.1%) 발생한다.^[58]

7. 1. 신성 전신 섬유증 (NSF)

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