Como os elementos de terras raras tornam a tecnologia moderna possível

Em agosto, a China terminou de construir uma linha de trem maglev que usa ímãs feitos de ligas de terras raras para levitar vagões sem consumir eletricidade.

Banco de Imagens Xinhua/Alamy

Por Nikk Ogasa

16 de janeiro de 2023 às 8h

Na ópera espacial de Frank Herbert, Duna, uma preciosa substância natural chamada melange de especiarias 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 nossa própria sociedade movida a 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 marcantes desses elementos estão em sua luminescência e magnetismo.

Contamos com terras raras para colorir as telas de nossos smartphones, fluorescer para sinalizar a autenticidade das notas de euro e retransmitir sinais por meio de cabos de fibra ótica no 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 a informação digital através do espaço e mudam as trajetórias de mísseis guiados por calor. As terras raras também estão impulsionando o crescimento de tecnologias verdes, como energia eólica e veículos elétricos, e podem até dar origem a novos componentes para computadores quânticos.

"A lista continua e continua", diz Stephen Boyd, um químico sintético e consultor independente. "Eles estão por toda parte."

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

Seus poderes secretos estão em seus elétrons. Todos os átomos têm um núcleo cercado 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 de "f-elétrons", que habitam uma zona de Cachinhos Dourados localizada perto dos elétrons de valência, mas um pouco mais perto do núcleo. “São esses f-elétrons 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 conhecido como lantanídeos (lutécio, Lu, mais a linha que começa com lantânio, La) contém cada um um subnível 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 enquanto o plâncton bioluminescente é empurrado pelas ondas. Metais de terras raras também irradiam luz quando estimulados. O truque é fazer cócegas em seus elétrons-f, diz de Bettencourt-Dias.

Usando uma fonte de energia como um laser ou lâmpada, cientistas e engenheiros podem sacudir um dos f-elétrons de uma terra rara em um estado excitado e depois deixá-lo cair de volta em letargia, ou 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 em um comprimento de onda de cerca de 545 nanômetros, o que o torna bom para a construção de fósforos verdes em telas de televisão, computador e smartphone. O európio, que tem duas formas comuns, é usado para construir fósforos vermelho e azul. Juntos, esses fósforos podem pintar telas com a maioria dos tons do arco-íris.