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

Nov 17, 2023

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. Atualmente, seis ferrovias oferecem 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, foi lançado em 1965. A mineração de uma substância natural preciosa chamada melange de especiarias foi o tema principal dessa saga espacial épica. Essa especiaria concedeu às pessoas a capacidade de navegar por vastas extensões do cosmos. Também se tornou a base de uma civilização intergaláctica. Isso era, claro, ficção.

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

Quinze terras raras compõem uma linha inteira na maioria das tabelas periódicas. Conhecidos como lantanídeos, eles vão do lantânio ao lutécio — números atômicos de 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 um catalisador para processar 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 marcantes das terras raras são sua luminescência e magnetismo. Por exemplo, contamos com terras raras para colorir as telas de nossos smartphones. Eles ficam fluorescentes para sinalizar que as notas de euro são verdadeiras. Eles transmitem sinais através de cabos de fibra ótica 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 pelo espaço.

Mais recentemente, as terras raras têm impulsionado o crescimento de tecnologias verdes, como energia eólica e veículos elétricos. 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 dos usos de terras raras, ele diz: "A lista é interminável".

As terras raras tendem a ser maleáveis ​​(fáceis de deformar). Esses metais também têm altos pontos de fusão e ebulição. Mas seu poder secreto está em seus elétrons.

Todos os átomos têm um núcleo rodeado 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 "f-elétrons" residem em uma zona Goldilocks. Ele está localizado 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. Ela é química inorgânica na Universidade de Nevada, Reno.

Quando estimulados, os metais de terras raras irradiam luz. O truque é fazer cócegas em seus elétrons-f, diz de Bettencourt-Dias. Uma fonte de energia como um feixe de laser pode sacudir um f-elétron em um elemento de terra rara. A energia impulsiona o elétron para um estado excitado. Mais tarde, ele retornará ao seu estado inicial - ou fundamental. Ao fazê-lo, esses f-elétrons 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 – aparecem em uma única linha. Os elementos de terras raras têm uma subcamada de elétrons (chamados f-elétrons) que conferem a esses metais propriedades magnéticas e luminescentes.