Cómo los elementos de tierras raras hacen posible la tecnología moderna

En agosto, China terminó de construir una línea de tren de levitación magnética que utiliza imanes hechos de aleaciones de tierras raras para levitar vagones de tren sin consumir electricidad.

Xinhua/Alamy Foto de stock

Por Nikk Ogasa

16 enero 2023 a las 8:00 am

En la ópera espacial Dune de Frank Herbert, una preciosa sustancia natural llamada mezcla de especias otorga a las personas la capacidad de navegar por vastas extensiones del cosmos para construir una civilización intergaláctica.

En la vida real aquí en la Tierra, un grupo de metales naturales conocidos como tierras raras ha hecho posible nuestra propia sociedad impulsada por la tecnología. La demanda de estos componentes cruciales en casi todos los dispositivos electrónicos modernos se está disparando.

Las tierras raras satisfacen miles de necesidades diferentes: el cerio, por ejemplo, se usa como catalizador para refinar el petróleo y el gadolinio captura neutrones en los reactores nucleares. Pero las capacidades más destacadas de estos elementos radican en su luminiscencia y magnetismo.

Dependemos de las tierras raras para dar color a las pantallas de nuestros teléfonos inteligentes, la fluorescencia para señalar la autenticidad de los billetes en euros y transmitir señales a través de cables de fibra óptica a través del lecho marino. También son esenciales para construir algunos de los imanes más potentes y fiables del mundo. Generan ondas de sonido en sus auriculares, impulsan la información digital a través del espacio y cambian las trayectorias de los misiles buscadores de calor. Las tierras raras también están impulsando el crecimiento de las tecnologías ecológicas, como la energía eólica y los vehículos eléctricos, e incluso pueden dar lugar a nuevos componentes para computadoras cuánticas.

"La lista sigue y sigue", dice Stephen Boyd, químico sintético y consultor independiente. "Están por todas partes."

Las tierras raras son los lantánidos, el lutecio y los 14 elementos entre el lantano y el iterbio en una fila de la tabla periódica, más el escandio y el itrio, que tienden a encontrarse en los mismos depósitos de mineral y tienen propiedades químicas similares a las de los lantánidos. Estos metales grises a plateados a menudo son maleables con puntos de fusión y ebullición altos.

Sus poderes secretos se encuentran en sus electrones. Todos los átomos tienen un núcleo rodeado de electrones, que habitan en zonas llamadas orbitales. Los electrones de los orbitales más alejados del núcleo son los electrones de valencia, que participan en reacciones químicas y forman enlaces con otros átomos.

La mayoría de los lantánidos poseen otro conjunto importante de electrones llamados "electrones f", que habitan en una zona Goldilocks ubicada cerca de los electrones de valencia pero un poco más cerca del núcleo. "Son estos electrones f los responsables de las propiedades magnéticas y luminiscentes de los elementos de tierras raras", dice Ana de Bettencourt-Dias, química inorgánica de la Universidad de Nevada, Reno.

Las tierras raras son un grupo de 17 elementos (resaltados en azul en la tabla periódica). Un subconjunto de tierras raras conocidas como lantánidos (lutecio, Lu, más la fila que comienza con lantano, La) contienen cada una una subcapa que normalmente alberga electrones f, que otorgan a los elementos propiedades magnéticas y luminiscentes.

A lo largo de algunas costas, el mar nocturno ocasionalmente brilla con un verde azulado cuando el plancton bioluminiscente es empujado por las olas. Los metales de tierras raras también irradian luz cuando son estimulados. El truco consiste en hacerles cosquillas a sus electrones f, dice de Bettencourt-Dias.

Usando una fuente de energía como un láser o una lámpara, los científicos e ingenieros pueden sacudir uno de los electrones f de una tierra rara a un estado excitado y luego dejar que vuelva a caer en letargo, o en su estado fundamental. "Cuando los lantánidos vuelven al estado fundamental", dice, "emiten luz".

Cada tierra rara emite de manera confiable longitudes de onda precisas de luz cuando se excita, dice de Bettencourt-Dias. Esta precisión confiable permite a los ingenieros ajustar cuidadosamente la radiación electromagnética en muchos dispositivos electrónicos. Terbium, por ejemplo, emite luz a una longitud de onda de aproximadamente 545 nanómetros, lo que lo hace bueno para construir fósforos verdes en pantallas de televisión, computadoras y teléfonos inteligentes. El europio, que tiene dos formas comunes, se usa para construir fósforos rojos y azules. Todos juntos, estos fósforos pueden pintar pantallas con la mayoría de los tonos del arcoíris.

Las tierras raras también irradian luz invisible útil. El itrio es un ingrediente clave en el granate de itrio-aluminio, o YAG, un cristal sintético que forma el núcleo de muchos láseres de alta potencia. Los ingenieros sintonizan las longitudes de onda de estos láseres entrelazando cristales YAG con otra tierra rara. La variedad más popular son los láseres YAG con cordones de neodimio, que se utilizan para todo, desde cortar acero hasta eliminar tatuajes y encontrar el rango láser. Los rayos láser Erbium-YAG son una buena opción para las cirugías mínimamente invasivas porque el agua de la carne los absorbe fácilmente y, por lo tanto, no cortan demasiado profundo.

Más allá de los láseres, el lantano es crucial para fabricar el vidrio absorbente de infrarrojos en las gafas de visión nocturna. "Y el erbio impulsa nuestro Internet", dice Tian Zhong, ingeniero molecular de la Universidad de Chicago. Gran parte de nuestra información digital viaja a través de fibras ópticas como luz con una longitud de onda de aproximadamente 1550 nanómetros, la misma longitud de onda que emite el erbio. Las señales en los cables de fibra óptica se atenúan a medida que se alejan de su fuente. Debido a que esos cables pueden extenderse por miles de kilómetros a través del lecho marino, se agrega erbio a las fibras para aumentar las señales.

En 1945, los científicos construyeron ENIAC, la primera computadora digital programable de propósito general del mundo (SN: 23/2/46, p. 118). Apodado el "cerebro gigante", ENIAC pesaba más que cuatro elefantes y tenía una huella de aproximadamente dos tercios del tamaño de una cancha de tenis.

Menos de 80 años después, el ubicuo teléfono inteligente, que cuenta con mucho más poder de cómputo que el ENIAC, cabe perfectamente en nuestras manos. La sociedad debe esta miniaturización de la tecnología electrónica en gran parte al excepcional poder magnético de las tierras raras. Los pequeños imanes de tierras raras pueden hacer el mismo trabajo que los imanes más grandes hechos sin tierras raras.

Son esos electrones f en juego. Las tierras raras tienen muchos orbitales de electrones, pero los electrones f habitan en un grupo específico de siete orbitales llamado subnivel 4f. En cualquier subnivel, los electrones intentan distribuirse entre los orbitales internos. Cada orbital puede albergar hasta dos electrones. Pero dado que la subcapa 4f contiene siete orbitales, y la mayoría de las tierras raras contienen menos de 14 electrones f, los elementos tienden a tener múltiples orbitales con un solo electrón. Los átomos de neodimio, por ejemplo, poseen cuatro de estos solitarios, mientras que el disprosio y el samario tienen cinco. Fundamentalmente, estos electrones desapareados tienden a apuntar, o girar, en la misma dirección, dice Boyd. "Eso es lo que crea los polos norte y sur que clásicamente entendemos como magnetismo".

Dado que estos electrones f solitarios revolotean detrás de una capa de electrones de valencia, sus giros sincronizados están algo protegidos de las fuerzas de desmagnetización como el calor y otros campos magnéticos, lo que los hace excelentes para construir imanes permanentes, dice Zhong. Los imanes permanentes, como los que sostienen las imágenes en la puerta de un refrigerador, generan de forma pasiva campos magnéticos que surgen de su estructura atómica, a diferencia de los electroimanes, que requieren corriente eléctrica y se pueden apagar.

Las tierras raras hacen posibles los teléfonos inteligentes y otras tecnologías, pero plantean grandes desafíos. Lea más de esta serie:

Pero incluso con su protección, las tierras raras tienen límites. El neodimio puro, por ejemplo, se corroe y se fractura fácilmente, y su atracción magnética comienza a perder fuerza por encima de los 80° Celsius. Entonces, los fabricantes alean algunas tierras raras con otros metales para hacer imanes más resistentes, dice Durga Paudyal, física teórica del Laboratorio Nacional Ames en Iowa. Esto funciona bien porque algunas tierras raras pueden orquestar los campos magnéticos de otros metales, dice. Así como los dados pesados ​​​​caerán preferentemente en un lado, algunas tierras raras como el neodimio y el samario exhiben un magnetismo más fuerte en ciertas direcciones porque contienen orbitales llenos de manera desigual en sus subcapas 4f. Esta direccionalidad, llamada anisotropía magnética, se puede aprovechar para coordinar los campos de otros metales como el hierro o el cobalto para formular imanes robustos y extremadamente potentes.

Los imanes de aleación de tierras raras más potentes son los imanes de neodimio-hierro-boro. Un imán de aleación de neodimio de tres kilogramos puede levantar objetos que pesen más de 300 kilogramos, por ejemplo. Más del 95 por ciento de los imanes permanentes del mundo están hechos de esta aleación de tierras raras. Los imanes de neodimio-hierro-boro generan vibraciones en los teléfonos inteligentes, producen sonidos en los auriculares y audífonos, permiten la lectura y escritura de datos en unidades de disco duro y generan los campos magnéticos utilizados en las máquinas de resonancia magnética. Y agregar un poco de disprosio a estos imanes puede aumentar la resistencia al calor de la aleación, lo que la convierte en una buena opción para los rotores que giran en los interiores calientes de muchos motores de vehículos eléctricos.

Los imanes de samario-cobalto, desarrollados en la década de 1960, fueron los primeros imanes populares de tierras raras. Aunque un poco más débiles que los imanes de neodimio-hierro-boro, los imanes de samario-cobalto tienen una resistencia superior al calor y a la corrosión, por lo que se utilizan en motores de alta velocidad, generadores, sensores de velocidad en automóviles y aviones, y en las partes móviles de algunos misiles buscadores de calor. Los imanes de samario-cobalto también forman el corazón de la mayoría de los tubos de ondas viajeras, que aumentan las señales de los sistemas de radar y los satélites de comunicaciones. Algunos de estos tubos están transmitiendo datos desde la nave espacial Voyager 1, actualmente el objeto hecho por humanos más distante, a más de 23 mil millones de kilómetros de distancia (SN: 31/7/21, p. 18).

Debido a que son fuertes y confiables, los imanes de tierras raras respaldan las tecnologías ecológicas. Están en los motores, transmisiones, dirección asistida y muchos otros componentes de los vehículos eléctricos. El uso de imanes de aleación de neodimio por parte de Tesla en sus vehículos Model 3 de mayor alcance ha generado preocupaciones en la cadena de suministro; China proporciona la gran mayoría del neodimio del mundo (SN: 11/01/23).

Los imanes de tierras raras también se utilizan en muchas turbinas eólicas marinas para reemplazar las cajas de engranajes, lo que aumenta la eficiencia y reduce el mantenimiento. En agosto, los ingenieros chinos introdujeron "Rainbow", la primera línea de trenes de levitación magnética del mundo basada en imanes de tierras raras que permiten que los trenes floten sin consumir electricidad.

En el futuro, las tierras raras pueden incluso hacer avanzar la computación cuántica. Mientras que las computadoras convencionales usan bits binarios (esos 1 y 0), las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden ocupar dos estados simultáneamente. Resulta que los cristales que contienen tierras raras son buenos qubits, ya que los electrones f protegidos pueden almacenar información cuántica durante largos períodos de tiempo, dice Zhong. Un día, los científicos informáticos podrían incluso aprovechar las propiedades luminiscentes de las tierras raras en qubits para compartir información entre computadoras cuánticas y crear una Internet cuántica, dice.

Puede que sea demasiado pronto para predecir exactamente cómo los metales de tierras raras seguirán influyendo en la expansión de estas tecnologías en crecimiento. Pero probablemente sea seguro decir: vamos a necesitar más tierras raras.

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Una versión de este artículo aparece en la edición del 14 de enero de 2023 de Science News.

H. Brunckova et al. Propiedades de luminiscencia de películas delgadas de niobato y tantalato de neodimio, samario y europio. Luminiscencia. vol. 37, abril de 2022, pág. 642. doi: 10.1002/bio.4205.

V. Balaram. Elementos de tierras raras: una revisión de aplicaciones, ocurrencia, exploración, análisis, reciclaje e impacto ambiental. Fronteras de la geociencia. vol. 10, julio de 2019, pág. 1285. doi: 10.1016/j.gsf.2018.12.005.

LU Khan y ZU Khan. Luminiscencia de tierras raras: espectroscopia electrónica y aplicaciones. Manual de Caracterización de Materiales. Springer, Cham. 19 de septiembre de 2018. doi: 10.1007/978-3-319-92955-2_10.

K. Binnemans et al. Las tierras raras y el problema del equilibrio: ¿Cómo lidiar con los mercados cambiantes? Revista de Metalurgia Sostenible. vol. 4, 9 de febrero de 2018, pág. 126. doi: 10.1007/s40831-018-0162-8.

R. Skomski y DJ Sellmyer. Anisotropía de imanes de tierras raras. Revista de tierras raras. vol. 27, agosto de 2009, pág. 675. doi: 10.1016/S1002-0721(08)60314-2.

JF Suyver y A. Meijerink. Europium salvaguarda el euro. Chemisch2Weekblad. vol. 98-4, 16 de febrero de 2002, pág. 12

Nikk Ogasa es un escritor del personal que se enfoca en las ciencias físicas para Science News. Tiene una maestría en geología de la Universidad McGill y una maestría en comunicación científica de la Universidad de California, Santa Cruz.

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