Come le proprietà nascoste degli elementi delle terre rare rendono possibile la tecnologia moderna

Nell’opera spaziale di Frank Herbert Dunauna preziosa sostanza naturale chiamata melange di spezie garantisce alle persone la possibilità di navigare in vaste distese del cosmo per costruire una civiltà intergalattica.

Nella vita reale qui sulla Terra, un gruppo di metalli naturali noti come terre rare ha reso possibile la nostra società basata sulla tecnologia. La domanda di questi componenti cruciali in quasi tutta l’elettronica moderna è alle stelle.

Le terre rare soddisfano migliaia di esigenze diverse: il cerio, ad esempio, viene utilizzato come catalizzatore per raffinare il petrolio e il gadolinio cattura i neutroni nei reattori nucleari. Ma le capacità più straordinarie di questi elementi risiedono nella loro luminescenza e magnetismo.

Ci affidiamo alle terre rare per colorare gli schermi dei nostri smartphone, la fluorescenza per segnalare l’autenticità delle banconote in euro e trasmettere segnali attraverso cavi in ​​fibra ottica attraverso il fondo marino. Sono anche essenziali per la costruzione di alcuni dei magneti più potenti e affidabili al mondo. Generano onde sonore nelle tue cuffie, aumentano le informazioni digitali attraverso lo spazio e spostano le traiettorie dei missili a ricerca di calore. Le terre rare stanno anche guidando la crescita delle tecnologie verdi, come l’energia eolica e i veicoli elettrici, e potrebbero persino dare origine a nuovi componenti per i computer quantistici.

“L’elenco potrebbe continuare all’infinito”, afferma Stephen Boyd, chimico sintetico e consulente indipendente. “Sono ovunque.”

I superpoteri delle terre rare derivano dai loro elettroni

Le terre rare sono i lantanidi – lutezio e tutti i 14 elementi tra lantanio e itterbio su una riga della tavola periodica – più scandio e ittrio, che tendono a trovarsi negli stessi depositi di minerale e hanno proprietà chimiche simili ai lantanidi. Questi metalli dal grigio all’argento sono spesso malleabili con alti punti di fusione e di ebollizione.

I loro poteri segreti risiedono nei loro elettroni. Tutti gli atomi hanno un nucleo circondato da elettroni, che abitano zone chiamate orbitali. Gli elettroni negli orbitali più lontani dal nucleo sono gli elettroni di valenza, che partecipano alle reazioni chimiche e formano legami con altri atomi.

La maggior parte dei lantanidi possiede un altro importante gruppo di elettroni chiamato “elettroni f”, che risiede in una zona di riccioli d’oro situata vicino agli elettroni di valenza ma leggermente più vicina al nucleo. “Sono questi elettroni f che sono responsabili delle proprietà magnetiche e luminescenti degli elementi delle terre rare”, afferma Ana de Bettencourt-Dias, chimica inorganica dell’Università del Nevada, Reno.

Posto sulla tavola periodica

Le terre rare sono un gruppo di 17 elementi (evidenziati in blu nella tavola periodica). Un sottoinsieme di terre rare conosciute come lantanidi (lutezio, Lu, più la riga che inizia con lantanio, La) contengono ciascuna un subshell che ospita tipicamente elettroni f, che conferiscono agli elementi proprietà magnetiche e luminescenti.

Le terre rare aggiungono colore e luce

Lungo alcune coste, il mare notturno occasionalmente si illumina di verde bluastro quando il plancton bioluminescente viene spinto dalle onde. Anche i metalli delle terre rare irradiano luce quando vengono stimolati. Il trucco è solleticare i loro elettroni f, dice de Bettencourt-Dias.

Usando una fonte di energia come un laser o una lampada, scienziati e ingegneri possono far sobbalzare uno degli elettroni f di una terra rara in uno stato eccitato e poi lasciarlo ricadere nel letargo, o nel suo stato fondamentale. “Quando i lantanidi tornano allo stato fondamentale”, dice, “emettono luce”.

Ogni terra rara emette in modo affidabile precise lunghezze d’onda della luce quando è eccitata, dice de Bettencourt-Dias. Questa precisione affidabile consente agli ingegneri di sintonizzare attentamente la radiazione elettromagnetica in molti dispositivi elettronici. Il terbio, ad esempio, emette luce a una lunghezza d’onda di circa 545 nanometri, il che lo rende adatto alla costruzione di fosfori verdi negli schermi di televisori, computer e smartphone. L’europio, che ha due forme comuni, viene utilizzato per costruire fosfori rossi e blu. Tutti insieme, questi fosfori possono dipingere schermi con la maggior parte delle sfumature dell’arcobaleno.

Le terre rare irradiano anche un’utile luce invisibile. L’ittrio è un ingrediente chiave nell’ittrio-alluminio-granato, o YAG, un cristallo sintetico che costituisce il nucleo di molti laser ad alta potenza. Gli ingegneri sintonizzano le lunghezze d’onda di questi laser allacciando i cristalli YAG con un’altra terra rara. La varietà più popolare sono i laser YAG al neodimio, che vengono utilizzati per qualsiasi cosa, dall’affettare l’acciaio alla rimozione dei tatuaggi al telemetro laser. I raggi laser Erbium-YAG sono una buona opzione per gli interventi chirurgici minimamente invasivi perché sono prontamente assorbiti dall’acqua nella carne e quindi non tagliano troppo in profondità.

Oltre ai laser, il lantanio è fondamentale per realizzare il vetro che assorbe gli infrarossi negli occhiali per la visione notturna. “E l’erbio guida la nostra Internet”, afferma Tian Zhong, ingegnere molecolare dell’Università di Chicago. Gran parte delle nostre informazioni digitali viaggia attraverso le fibre ottiche sotto forma di luce con una lunghezza d’onda di circa 1.550 nanometri, la stessa lunghezza d’onda emessa dall’erbio. I segnali nei cavi in ​​fibra ottica si attenuano man mano che si allontanano dalla loro sorgente. Poiché questi cavi possono estendersi per migliaia di chilometri sul fondo del mare, l’erbio viene aggiunto alle fibre per potenziare i segnali.

Le terre rare producono potenti magneti

Nel 1945, gli scienziati costruirono ENIAC, il primo computer digitale programmabile e generico al mondo (SN: 23/02/46, pag. 118). Soprannominato il “cervello gigante”, ENIAC pesava più di quattro elefanti e aveva un’impronta di circa due terzi delle dimensioni di un campo da tennis.

Meno di 80 anni dopo, l’onnipresente smartphone, che vanta una potenza di calcolo molto maggiore di quanto abbia mai fatto ENIAC, si adatta perfettamente ai nostri palmi. La società deve questa miniaturizzazione della tecnologia elettronica in gran parte all’eccezionale potere magnetico delle terre rare. Piccoli magneti in terre rare possono fare lo stesso lavoro di magneti più grandi realizzati senza terre rare.

Sono quegli elettroni f in gioco. Le terre rare hanno molti orbitali di elettroni, ma gli elettroni f abitano un gruppo specifico di sette orbitali chiamato 4f-subshell. In ogni subshell, gli elettroni cercano di diffondersi tra gli orbitali all’interno. Ogni orbitale può ospitare fino a due elettroni. Ma poiché la subshell 4f contiene sette orbitali e la maggior parte delle terre rare contiene meno di 14 elettroni f, gli elementi tendono ad avere più orbitali con un solo elettrone. Gli atomi di neodimio, ad esempio, possiedono quattro di questi solitari, mentre il disprosio e il samario ne hanno cinque. Fondamentalmente, questi elettroni spaiati tendono a puntare – o ruotare – nella stessa direzione, dice Boyd. “Questo è ciò che crea i poli nord e sud che classicamente intendiamo come magnetismo”.

Poiché questi elettroni f solitari svolazzano dietro un guscio di elettroni di valenza, i loro spin sincronizzati sono in qualche modo schermati dalle forze di smagnetizzazione come il calore e altri campi magnetici, rendendoli ottimi per costruire magneti permanenti, dice Zhong. I magneti permanenti, come quelli che reggono le immagini sullo sportello di un frigorifero, generano passivamente campi magnetici che nascono dalla loro struttura atomica, a differenza degli elettromagneti, che richiedono una corrente elettrica e possono essere spenti.

Ma anche con la loro schermatura, le terre rare hanno dei limiti. Il neodimio puro, ad esempio, si corrode e si rompe facilmente e la sua attrazione magnetica inizia a perdere forza sopra gli 80° Celsius. Quindi i produttori legano alcune terre rare con altri metalli per creare magneti più resistenti, afferma Durga Paudyal, fisico teorico presso l’Ames National Laboratory in Iowa. Funziona bene perché alcune terre rare possono orchestrare i campi magnetici di altri metalli, dice. Proprio come i dadi ponderati atterreranno preferenzialmente su un lato, alcune terre rare come il neodimio e il samario mostrano un magnetismo più forte in determinate direzioni perché contengono orbitali riempiti in modo non uniforme nei loro subshell 4f. Questa direzionalità, chiamata anisotropia magnetica, può essere sfruttata per coordinare i campi di altri metalli come il ferro o il cobalto per formulare magneti robusti ed estremamente potenti.

I più potenti magneti in lega di terre rare sono i magneti al neodimio-ferro-boro. Ad esempio, un magnete in lega di neodimio da tre chilogrammi può sollevare oggetti che pesano più di 300 chilogrammi. Più del 95 percento dei magneti permanenti del mondo sono realizzati con questa lega di terre rare. I magneti al neodimio-ferro-boro generano vibrazioni negli smartphone, producono suoni negli auricolari e nelle cuffie, consentono la lettura e la scrittura di dati nei dischi rigidi e generano i campi magnetici utilizzati nelle macchine per la risonanza magnetica. E l’aggiunta di un po’ di disprosio a questi magneti può aumentare la resistenza al calore della lega, rendendola una buona scelta per i rotori che girano negli interni caldi di molti motori di veicoli elettrici.

I magneti in samario-cobalto, sviluppati negli anni ’60, furono i primi popolari magneti in terre rare. Anche se leggermente più deboli dei magneti al neodimio-ferro-boro, i magneti al samario-cobalto hanno una resistenza al calore e alla corrosione superiore, quindi vengono utilizzati nei motori ad alta velocità, nei generatori, nei sensori di velocità di automobili e aeroplani e nelle parti mobili di alcuni missili a ricerca di calore. I magneti in samario-cobalto costituiscono anche il cuore della maggior parte dei tubi a onde mobili, che amplificano i segnali dei sistemi radar e dei satelliti per le comunicazioni. Alcuni di questi tubi stanno trasmettendo dati dal veicolo spaziale Voyager 1 – attualmente l’oggetto umano più distante – a oltre 23 miliardi di chilometri di distanza (SN: 31/07/21, pag. 18).

Poiché sono forti e affidabili, i magneti in terre rare supportano le tecnologie verdi. Si trovano nei motori, nelle trasmissioni, nel servosterzo e in molti altri componenti dei veicoli elettrici. L’uso da parte di Tesla di magneti in lega di neodimio nei suoi veicoli Model 3 più lontani ha suscitato preoccupazioni nella catena di approvvigionamento; La Cina fornisce la stragrande maggioranza del neodimio mondiale (SN: 1/11/23).

I magneti in terre rare sono utilizzati anche in molte turbine eoliche offshore per sostituire i riduttori, il che aumenta l’efficienza e riduce la manutenzione. Ad agosto, gli ingegneri cinesi hanno introdotto “Rainbow”, la prima linea di treni maglev al mondo basata su magneti di terre rare che consentono ai treni di fluttuare senza consumare elettricità.

In futuro, le terre rare potrebbero persino far progredire il calcolo quantistico. Mentre i computer convenzionali usano bit binari (quelli 1 e 0), i computer quantistici usano qubit, che possono occupare due stati contemporaneamente. A quanto pare, i cristalli contenenti terre rare costituiscono buoni qubit, poiché gli elettroni f schermati possono immagazzinare informazioni quantistiche per lunghi periodi di tempo, afferma Zhong. Un giorno, gli informatici potrebbero persino sfruttare le proprietà luminescenti delle terre rare nei qubit per condividere informazioni tra computer quantistici e creare un Internet quantistico, dice.

Potrebbe essere troppo presto per prevedere esattamente come i metalli delle terre rare continueranno a influenzare l’espansione di queste tecnologie in crescita. Ma probabilmente è giusto dire: avremo bisogno di più terre rare.