Le dysprosium est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus s (capture lente de neutrons) qui se produit dans les étoiles AGB (géantes asymptotiques) de faible à moyenne masse, avec une contribution significative du processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements explosifs comme les supernovae. Les modèles nucléosynthétiques actuels estiment qu'environ 60-70% du dysprosium solaire provient du processus s, et 30-40% du processus r. Cette origine mixte en fait un traceur intéressant des deux processus de nucléosynthèse.
L'abondance cosmique du dysprosium est d'environ 1,9×10⁻¹² fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend légèrement plus abondant que le terbium. En raison de son numéro atomique pair (Z=66), il est plus abondant que ses voisins impairs (Tb-65 et Ho-67), conformément à la règle d'Oddo-Harkins. Dans la série des lanthanides, le dysprosium fait partie des "terres rares lourdes" dont les abondances diminuent progressivement avec l'augmentation du numéro atomique, à l'exception de l'anomalie du gadolinium (Z=64) qui présente une stabilité particulière.
Le rapport dysprosium/europium (Dy/Eu) dans les étoiles est utilisé comme indicateur de l'équilibre entre les processus s et r dans l'histoire de la Galaxie. Comme l'europium est presque exclusivement produit par le processus r, un rapport Dy/Eu élevé dans une étoile indique une contribution significative du processus s. Les étoiles jeunes et riches en métaux ont généralement des rapports Dy/Eu plus élevés que les étoiles anciennes et pauvres en métaux, reflétant l'accumulation progressive des produits du processus s au cours de l'évolution galactique.
Le dysprosium a été détecté dans les spectres de nombreuses étoiles, y compris des étoiles pauvres en métaux du halo galactique. Ses raies spectrales (principalement Dy II) sont relativement accessibles en spectroscopie astronomique. Dans les météorites chondritiques, le dysprosium présente une abondance similaire à celle du soleil, confirmant son origine stellaire. L'étude isotopique du dysprosium dans les inclusions réfractaires des météorites primitives a fourni des informations cruciales sur les conditions de formation du système solaire et sur la présence éventuelle de matériau stellaire anormal (anomalies isotopiques).
Le dysprosium tire son nom du grec ancien δυσπρόσιτος (dysprositos), qui signifie "difficile à atteindre" ou "difficile d'accès". Ce nom a été choisi par son découvreur pour refléter les difficultés qu'il a rencontrées pour isoler cet élément des autres terres rares. Contrairement aux autres lanthanides nommés d'après des lieux ou des personnes, le nom du dysprosium décrit directement la complexité de sa séparation chimique.
Le dysprosium fut découvert en 1886 par le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912), célèbre pour avoir également découvert le gallium (1875) et le samarium (1879). Lecoq de Boisbaudran travaillait sur des échantillons d'holmia (oxyde d'holmium) et, après plus de 30 tentatives de cristallisations fractionnées, réussit à séparer un nouvel oxyde qu'il identifia comme appartenant à un élément inconnu. Il observa des raies spectrales distinctes et nomma le nouvel élément "dysprosium" en raison des difficultés extrêmes de sa purification.
L'isolation du dysprosium sous forme pure fut un défi technique majeur pendant des décennies après sa découverte. Ce n'est qu'au début du 20ème siècle, avec le développement de techniques d'échange ionique et d'extraction par solvant, que le dysprosium fut obtenu avec une pureté suffisante pour une caractérisation complète. Le métal lui-même fut produit pour la première fois en 1906 par réduction du fluorure de dysprosium avec du calcium métallique, mais ce n'est que dans les années 1950 que des procédés industriels fiables furent mis au point.
Le dysprosium est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 5,2 ppm (parties par million), ce qui le rend plus abondant que le terbium mais moins que le gadolinium. Parmi les terres rares lourdes, il est relativement plus abondant.
Les principaux minerais contenant du dysprosium sont la bastnaésite ((Ce,La,Nd,Dy)CO₃F) et la monazite ((Ce,La,Nd,Dy,Th)PO₄), où il représente typiquement 0,5 à 1% de la teneur totale en terres rares, et la xénotime (YPO₄) où il peut être plus concentré.
La production mondiale d'oxyde de dysprosium (Dy₂O₃) est d'environ 100 à 200 tonnes par an, ce qui est significatif mais reste faible comparé aux terres rares légères comme le cérium ou le néodyme. En raison de son importance stratégique pour les aimants permanents, le dysprosium est l'une des terres rares les plus chères, avec des prix typiques de 300 à 600 dollars par kilogramme d'oxyde (avec des pics à plus de 2000 $/kg lors des tensions d'approvisionnement). La Chine domine la production avec environ 85-90% du total mondial.
Le dysprosium métallique est produit principalement par réduction métallothermique du fluorure de dysprosium (DyF₃) avec du calcium métallique en atmosphère inerte d'argon. La production annuelle mondiale de dysprosium métallique est d'environ 50 à 100 tonnes. Le recyclage du dysprosium à partir des aimants permanents usagés est devenu une priorité stratégique et fait l'objet de développements intensifs, avec des premiers procédés industriels maintenant opérationnels.
Le dysprosium (symbole Dy, numéro atomique 66) est le dixième élément de la série des lanthanides, appartenant aux terres rares du bloc f de la classification périodique. Son atome possède 66 protons, 98 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{164}\mathrm{Dy}\)) et 66 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁰ 6s². Cette configuration confère au dysprosium des propriétés magnétiques exceptionnelles.
Le dysprosium est un métal argenté, brillant et relativement stable à l'air. Il présente une structure cristalline hexagonale compacte (HC) à température ambiante. Le dysprosium possède des propriétés magnétiques exceptionnelles : il est fortement paramagnétique et présente plusieurs transitions magnétiques. Il devient antiferromagnétique en dessous de 178 K (-95 °C), puis ferromagnétique en dessous de 85 K (-188 °C). Bien que ces températures soient très basses, le dysprosium est crucial dans les alliages comme le Terfenol-D (avec le terbium et le fer) qui présentent des propriétés magnétostrictives géantes à température ambiante.
Le dysprosium fond à 1412 °C (1685 K) et bout à 2567 °C (2840 K). Comme la plupart des lanthanides, il présente des points de fusion et d'ébullition élevés. Le dysprosium présente une transformation allotropique à 1381 °C où sa structure cristalline passe de hexagonale compacte (HC) à cubique centrée (CC). Sa conductivité électrique est médiocre, environ 25 fois inférieure à celle du cuivre. Le dysprosium présente également une résistivité électrique qui varie fortement avec le champ magnétique (magnétorésistance).
Le dysprosium est relativement stable à l'air sec à température ambiante, mais s'oxyde lentement pour former un oxyde Dy₂O₃. Il s'oxyde plus rapidement lorsqu'il est chauffé et brûle pour former l'oxyde : 4Dy + 3O₂ → 2Dy₂O₃. Le dysprosium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde de dysprosium(III) Dy(OH)₃ et dégager de l'hydrogène. Il se dissout facilement dans les acides minéraux dilués. Le métal doit être conservé sous huile minérale ou en atmosphère inerte.
Le point de fusion du dysprosium : 1685 K (1412 °C).
Le point d'ébullition du dysprosium : 2840 K (2567 °C).
Température de Néel (transition antiferromagnétique) : 178 K (-95 °C).
Température de Curie (transition ferromagnétique) : 85 K (-188 °C).
Structure cristalline à température ambiante : Hexagonale compacte (HC).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dysprosium-156 — \(\,^{156}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 90 | 155,924283 u | ≈ 0,06 % | Stable | Isotope stable le plus léger, très rare dans la nature. |
| Dysprosium-158 — \(\,^{158}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 92 | 157,924409 u | ≈ 0,10 % | Stable | Isotope stable très peu abondant. |
| Dysprosium-160 — \(\,^{160}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 94 | 159,925197 u | ≈ 2,34 % | Stable | Isotope stable significatif parmi les isotopes naturels. |
| Dysprosium-161 — \(\,^{161}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 95 | 160,926933 u | ≈ 18,91 % | Stable | Isotope stable important, l'un des plus abondants. |
| Dysprosium-162 — \(\,^{162}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 96 | 161,926798 u | ≈ 25,51 % | Stable | Isotope stable, parmi les plus abondants dans le mélange naturel. |
| Dysprosium-163 — \(\,^{163}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 97 | 162,928731 u | ≈ 24,90 % | Stable | Isotope stable majeur, avec une abondance similaire au 162Dy. |
| Dysprosium-164 — \(\,^{164}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 98 | 163,929175 u | ≈ 28,18 % | Stable | Isotope stable le plus abondant dans la nature (~28%). |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le dysprosium possède 66 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁰ 6s² présente dix électrons dans la sous-couche 4f. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(28) P(2), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable.
Couche O (n=5) : contient 28 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f¹⁰ 5d⁰. Les dix électrons 4f confèrent au dysprosium ses propriétés magnétiques exceptionnelles.
Couche P (n=6) : contient 2 électrons dans la sous-couche 6s². Ces électrons sont les électrons de valence externe du dysprosium.
Le dysprosium possède effectivement 12 électrons de valence : dix électrons 4f¹⁰ et deux électrons 6s². Le dysprosium présente exclusivement l'état d'oxydation +3 dans ses composés stables. Dans cet état, le dysprosium perd ses deux électrons 6s et un électron 4f pour former l'ion Dy³⁺ avec la configuration électronique [Xe] 4f⁹. Cet ion possède neuf électrons dans la sous-couche 4f et présente un fort moment magnétique (10,6 μB) dû à ses électrons non appariés.
Contrairement à certains lanthanides comme l'europium ou l'ytterbium, le dysprosium ne forme pas d'état d'oxydation +2 ou +4 stable dans les conditions normales. Quelques composés de dysprosium(II) et (IV) ont été synthétisés en conditions extrêmes mais sont très instables et de curiosités de laboratoire. L'état +3 est donc le seul significatif chimiquement et technologiquement.
La chimie du dysprosium est dominée par l'état +3. L'ion Dy³⁺ possède un rayon ionique de 105,2 pm (pour une coordinance 8) et forme des complexes généralement jaune pâle en solution aqueuse. Ses propriétés magnétiques sont exploitées dans les matériaux magnétocaloriques et les verres à mémoire magnétique. Les sels de dysprosium sont paramagnétiques et présentent une luminescence faible comparée à d'autres lanthanides comme l'europium ou le terbium.
Le dysprosium métallique est relativement stable à l'air sec à température ambiante, formant une fine couche d'oxyde protectrice de Dy₂O₃. À température élevée (au-dessus de 200 °C), il s'oxyde rapidement et brûle pour former l'oxyde : 4Dy + 3O₂ → 2Dy₂O₃. L'oxyde de dysprosium(III) est un solide blanc à jaune pâle avec une structure cubique de type C-rare earth (C-type sesquioxide). En poudre fine, le dysprosium est pyrophorique et peut s'enflammer spontanément à l'air.
Le dysprosium réagit lentement avec l'eau froide et plus rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde de dysprosium(III) Dy(OH)₃ et dégager de l'hydrogène gazeux : 2Dy + 6H₂O → 2Dy(OH)₃ + 3H₂↑. L'hydroxyde précipite sous forme d'un solide blanc gélatineux peu soluble. Comme pour les autres lanthanides, la réaction n'est pas violente mais est observable sur le long terme.
Le dysprosium réagit avec tous les halogènes pour former des trihalogénures correspondants : 2Dy + 3F₂ → 2DyF₃ (fluorure blanc) ; 2Dy + 3Cl₂ → 2DyCl₃ (chlorure jaune pâle). Le dysprosium se dissout facilement dans les acides minéraux dilués (acide chlorhydrique, sulfurique, nitrique) avec dégagement d'hydrogène et formation des sels correspondants de Dy³⁺ : 2Dy + 6HCl → 2DyCl₃ + 3H₂↑.
Le dysprosium réagit avec l'hydrogène à température modérée (300-400 °C) pour former l'hydrure DyH₂, puis DyH₃ à plus haute température. Avec le soufre, il forme le sulfure Dy₂S₃. Il réagit avec l'azote à haute température (>1000 °C) pour former le nitrure DyN, et avec le carbone pour former le carbure DyC₂. Le dysprosium forme également de nombreux complexes de coordination avec des ligands organiques, bien que cette chimie soit moins développée que pour certains autres lanthanides.
La propriété la plus remarquable du dysprosium est son fort moment magnétique. L'ion Dy³⁺ possède le plus haut moment magnétique théorique de tous les ions des terres rares (10,6 μB, magnétons de Bohr) en raison de ses neuf électrons non appariés dans la sous-couche 4f. Bien que le dysprosium métallique ne soit ferromagnétique qu'à très basse température, cet ion magnétique puissant est crucial lorsqu'il est incorporé dans des matériaux comme les aimants Nd-Fe-B ou les alliages Terfenol-D. Le dysprosium améliore significativement la coercivité (résistance à la désaimantation) et la stabilité thermique de ces matériaux.
L'application la plus importante et stratégique du dysprosium est son utilisation comme additif dans les aimants permanents à base de néodyme-fer-bore (Nd-Fe-B). Ces aimants, les plus puissants commercialement disponibles, perdent leurs propriétés magnétiques (en particulier leur coercivité) à des températures élevées (au-dessus de 100-150 °C). L'ajout de quelques pourcents de dysprosium (typiquement 2-10% en poids, remplaçant partiellement le néodyme) augmente considérablement la température de fonctionnement maximale, permettant leur utilisation dans des applications critiques comme les moteurs de véhicules électriques et les génératrices d'éoliennes.
Le dysprosium agit en se substituant au néodyme dans la structure cristalline tétragonale de type Nd₂Fe₁₄B. L'ion Dy³⁺ possède une plus forte anisotropie magnétique que l'ion Nd³⁺, ce qui augmente l'énergie nécessaire pour inverser l'aimantation du matériau (coercivité). Cette amélioration est particulièrement importante à haute température, où l'agitation thermique tend à désaligner les moments magnétiques. Le dysprosium se concentre préférentiellement aux joints de grains, où il inhibe la propagation des parois de domaines magnétiques, renforçant ainsi la résistance à la désaimantation.
Les aimants Nd-Fe-B dopés au dysprosium sont indispensables pour :
La demande croissante en dysprosium, couplée à sa production limitée et concentrée géographiquement (Chine), en fait une matière première critique. Des recherches intensives visent à réduire la teneur en dysprosium des aimants (par optimisation microstructurelle, par exemple les aimants à grains fins), à développer des procédés de recyclage efficaces, et à trouver des substituts partiels (comme le terbium, également rare et cher) ou des alternatives technologiques (aimants sans terres rares comme les ferrites, ou nouveaux concepts de moteurs électriques). Cependant, à court et moyen terme, le dysprosium reste irremplaçable pour les applications haute température.
Le Terfenol-D est un alliage à base de terbium, de dysprosium et de fer de composition approximative Tb0,3Dy0,7Fe₂. Le dysprosium, en combinaison avec le terbium, permet d'ajuster les propriétés magnétiques pour obtenir une magnétostriction géante (changement de dimension sous champ magnétique) à température ambiante tout en minimisant l'anisotropie magnétique. Le dysprosium contribue également à réduire le coût du matériau par rapport à un alliage purement au terbium.
Les applications incluent des actionneurs de précision (systèmes de positionnement, injecteurs), des capteurs (capteurs de force, hydrophones), des transducteurs ultrasonores (imagerie médicale, nettoyage industriel) et des systèmes de contrôle vibratoire. Bien que le marché du Terfenol-D soit plus petit que celui des aimants Nd-Fe-B, il représente une application à très haute valeur ajoutée où les propriétés uniques de l'alliage justifient son coût élevé.
Le dysprosium possède une section efficace d'absorption des neutrons thermiques relativement élevée (environ 940 barns pour le mélange isotopique naturel). Certains de ses isotopes, en particulier le dysprosium-164 (2700 barns) et le dysprosium-161 (600 barns), ont des sections efficaces encore plus importantes. Cette propriété permet d'utiliser le dysprosium (sous forme d'oxyde Dy₂O₃ ou de métal) dans les barres de contrôle des réacteurs nucléaires et dans les écrans de protection contre les neutrons.
Comme le gadolinium, le dysprosium peut être utilisé comme "poison consommable" dans le combustible nucléaire pour compenser l'excès de réactivité en début de cycle. En absorbant les neutrons, il contrôle la réaction en chaîne et est progressivement transmuté en autres éléments. Cependant, son utilisation est moins courante que celle du gadolinium en raison de son coût plus élevé.
Le dysprosium et ses composés présentent une toxicité chimique faible à modérée, comparable aux autres lanthanides. Les sels solubles peuvent causer des irritations. Aucune toxicité aiguë sévère ni effet cancérigène n'ont été démontrés. La DL50 (dose létale médiane) du chlorure de dysprosium chez le rat est d'environ 300-500 mg/kg par voie intraveineuse. Comme les autres lanthanides, le dysprosium n'a pas de rôle biologique connu.
En cas d'exposition, le dysprosium s'accumule principalement dans le foie et les os, avec une élimination très lente (période biologique de plusieurs années pour la fraction osseuse). L'exposition de la population générale est extrêmement faible, limitée aux travailleurs des industries concernées.
Les impacts environnementaux majeurs sont liés à l'extraction minière des terres rares en général : production de déchets, eaux acides, résidus radioactifs (thorium, uranium dans la monazite). L'extraction d'un kilogramme de dysprosium nécessite le traitement de plusieurs tonnes de minerai.
Le recyclage du dysprosium à partir des aimants permanents usagés est une priorité stratégique pour plusieurs raisons :
Les techniques de recyclage incluent l'hydrométallurgie (dissolution acide suivie d'extraction par solvant) et la pyrométallurgie (fusion sous vide). Le défi majeur est la collecte et le tri des produits en fin de vie contenant des aimants. Des projets pilotes et des premières usines de recyclage à l'échelle industrielle ont été mis en place, notamment au Japon et en Europe. Le taux de recyclage actuel est encore faible (moins de 1%) mais devrait augmenter rapidement avec les réglementations et les incitations économiques.
L'exposition professionnelle se produit dans les mines, usines de séparation, fabricants d'aimants et sites de recyclage. Les poussières de composés de dysprosium doivent être contrôlées par ventilation et équipements de protection. Aucune maladie professionnelle spécifique n'est associée au dysprosium, mais les précautions générales pour les poussières métalliques s'appliquent.
