Os elétrons ocultos das terras raras tornam possível grande parte da tecnologia moderna

O Shanghai Transrapid é um trem de levitação magnética de alta velocidade (maglev) que viaja a velocidades de até 430 quilômetros (270 milhas) por hora. Os ímãs necessários para tais sistemas dependem de metais de terras raras. Seis ferrovias oferecem atualmente serviço maglev de alta velocidade e baixo consumo de energia.

Christian Petersen-Clausen/Moment Open/Getty Images Plus

Por Nikk Ogasa

4 de maio de 2023 às 6h30

O primeiro volume da série Dune de Frank Herbert estreou em 1965. A mineração de uma substância natural preciosa chamada especiarias melange foi um tema condutor naquela épica saga espacial. Esta especiaria concedeu às pessoas a capacidade de navegar por vastas extensões do cosmos. Também se tornou a base de uma civilização intergaláctica. Isso foi, claro, ficção.

De volta aqui na Terra, na vida real, um grupo de elementos metálicos tornou possível a nossa própria sociedade impulsionada pela tecnologia. Chamados de terras raras, esses 17 elementos são cruciais para quase todos os eletrônicos modernos. E a procura por estes metais tem disparado.

Quinze terras raras constituem uma linha inteira na maioria das tabelas periódicas. Conhecidos como lantanídeos, eles vão do lantânio ao lutécio – números atômicos 57 a 71. Também incluídos nas terras raras estão o escândio (número atômico 21) e o ítrio (número atômico 39). Esses dois últimos elementos tendem a ocorrer nos mesmos depósitos de minério que os lantanídeos. Eles também têm propriedades químicas semelhantes.

O cério de terras raras pode servir como catalisador para transformar o petróleo bruto em uma série de produtos úteis. Os reatores nucleares dependem de outro: o gadolínio. Ele captura nêutrons para controlar a produção de energia pelo combustível de um reator.

Mas as capacidades mais notáveis ​​das terras raras são a sua luminescência e o magnetismo. Por exemplo, dependemos de terras raras para colorir as telas de nossos smartphones. Eles brilham para sinalizar que as notas de euro são reais. Eles retransmitem sinais através de cabos de fibra óptica ao longo do fundo do mar. Eles também ajudam a construir alguns dos ímãs mais fortes e confiáveis ​​do mundo. Esses metais geram ondas sonoras em seus fones de ouvido e impulsionam os dados digitais através do espaço.

Mais recentemente, as terras raras têm impulsionado o crescimento de tecnologias verdes, como a energia eólica e os veículos eléctricos. Podem até dar origem a novas peças usadas em computadores quânticos.

“Eles estão por toda parte”, diz Stephen Boyd sobre esses metais. Ele é um químico sintético e consultor independente baseado em Dixon, Califórnia. Quando se trata do uso de terras raras, ele diz: “A lista é infinita”.

As terras raras tendem a ser maleáveis ​​(fáceis de deformar). Esses metais também possuem altos pontos de fusão e ebulição. Mas o seu poder secreto reside nos seus electrões.

Todos os átomos possuem um núcleo cercado por elétrons. Esses minúsculos elétrons habitam zonas chamadas orbitais. Os elétrons nos orbitais mais distantes do núcleo são conhecidos como elétrons de valência. Eles participam de reações químicas e formam ligações que unem os átomos.

A maioria dos lantanídeos possui outro conjunto importante de elétrons. Esses “elétrons-f” residem em uma zona Cachinhos Dourados. Ele está localizado próximo aos elétrons de valência, mas um pouco mais próximo do núcleo. “São estes elétrons-f os responsáveis ​​pelas propriedades magnéticas e luminescentes dos elementos de terras raras”, diz Ana de Bettencourt-Dias. Ela é química inorgânica na Universidade de Nevada, Reno.

Quando estimulados, os metais de terras raras irradiam luz. O truque é fazer cócegas nos seus elétrons-f, diz de Bettencourt-Dias. Uma fonte de energia como um feixe de laser pode sacudir um elétron-f em um elemento de terras raras. A energia impulsiona o elétron para um estado excitado. Mais tarde, ele retornará ao seu estado inicial – ou fundamental. Ao fazerem isso, esses elétrons-f emitem luz.

O grupo de 17 elementos (destacados em azul nesta tabela periódica) são conhecidos como terras raras. Um subconjunto deles, conhecido como lantanídeos – lutécio, Lu, mais a linha que começa com lantânio, La – aparece em uma única linha. Os elementos de terras raras têm uma subcamada de elétrons (chamados elétrons f) que conferem a esses metais propriedades magnéticas e luminescentes.