Como os elementos de terras raras tornam possível a tecnologia moderna

Em agosto, a China concluiu a construção de uma linha ferroviária maglev que utiliza ímãs feitos de ligas de terras raras para levitar vagões sem consumir eletricidade.

Xinhua/Alamy Banco de Imagem

Por Nikk Ogasa

16 de janeiro de 2023 às 8h00

Na ópera espacial Duna, de Frank Herbert, uma preciosa substância natural chamada especiarias melange concede às pessoas a capacidade de navegar por vastas extensões do cosmos para construir uma civilização intergaláctica.

Na vida real aqui na Terra, um grupo de metais naturais conhecidos como terras raras tornou possível a nossa própria sociedade movida pela tecnologia. A demanda por esses componentes cruciais em quase todos os eletrônicos modernos está disparando.

As terras raras atendem a milhares de necessidades diferentes – o cério, por exemplo, é usado como catalisador para refinar o petróleo, e o gadolínio captura nêutrons em reatores nucleares. Mas as capacidades mais notáveis ​​destes elementos residem na sua luminescência e magnetismo.

Dependemos de terras raras para colorir os ecrãs dos nossos smartphones, fluorescência para sinalizar a autenticidade das notas de euro e retransmitir sinais através de cabos de fibra óptica através do fundo do mar. Eles também são essenciais para a construção de alguns dos ímãs mais fortes e confiáveis ​​do mundo. Eles geram ondas sonoras em seus fones de ouvido, impulsionam informações digitais através do espaço e mudam as trajetórias de mísseis direcionados ao calor. As terras raras também estão a impulsionar o crescimento de tecnologias verdes, como a energia eólica e os veículos eléctricos, e podem até dar origem a novos componentes para computadores quânticos.

“A lista é infinita”, diz Stephen Boyd, químico sintético e consultor independente. “Eles estão por toda parte.”

As terras raras são os lantanídeos – lutécio e todos os 14 elementos entre o lantânio e o itérbio em uma linha da tabela periódica – além do escândio e do ítrio, que tendem a ocorrer nos mesmos depósitos de minério e têm propriedades químicas semelhantes às dos lantanídeos. Esses metais cinza a prateados são frequentemente maleáveis, com altos pontos de fusão e ebulição.

Seus poderes secretos estão em seus elétrons. Todos os átomos possuem um núcleo rodeado por elétrons, que habitam zonas chamadas orbitais. Os elétrons nos orbitais mais distantes do núcleo são os elétrons de valência, que participam de reações químicas e formam ligações com outros átomos.

A maioria dos lantanídeos possui outro conjunto importante de elétrons chamados “elétrons-f”, que residem em uma zona Cachinhos Dourados localizada perto dos elétrons de valência, mas um pouco mais perto do núcleo. “São estes elétrons-f os responsáveis ​​pelas propriedades magnéticas e luminescentes dos elementos de terras raras”, diz Ana de Bettencourt-Dias, química inorgânica da Universidade de Nevada, Reno.

As terras raras são um grupo de 17 elementos (destacados em azul na tabela periódica). Um subconjunto de terras raras conhecidas como lantanídeos (lutécio, Lu, mais a linha que começa com lantânio, La) contém, cada um, uma subcamada que normalmente abriga elétrons-f, que conferem aos elementos propriedades magnéticas e luminescentes.

Ao longo de algumas costas, o mar noturno ocasionalmente brilha em verde azulado à medida que o plâncton bioluminescente é empurrado pelas ondas. Os metais de terras raras também irradiam luz quando estimulados. O truque é fazer cócegas nos seus elétrons-f, diz de Bettencourt-Dias.

Usando uma fonte de energia como um laser ou uma lâmpada, cientistas e engenheiros podem sacudir um dos elétrons-f de uma terra rara para um estado excitado e depois deixá-lo voltar à letargia, ou ao seu estado fundamental. “Quando os lantanídeos voltam ao estado fundamental”, diz ela, “eles emitem luz”.

Cada terra rara emite de forma confiável comprimentos de onda precisos de luz quando excitada, diz de Bettencourt-Dias. Essa precisão confiável permite que os engenheiros ajustem cuidadosamente a radiação eletromagnética em muitos componentes eletrônicos. O térbio, por exemplo, emite luz num comprimento de onda de cerca de 545 nanômetros, tornando-o bom para a construção de fósforos verdes em telas de televisão, computadores e smartphones. O európio, que tem duas formas comuns, é usado para construir fósforos vermelhos e azuis. Juntos, esses fósforos podem pintar telas com a maioria dos tons do arco-íris.