In che modo gli elementi delle terre rare rendono possibile la tecnologia moderna

Ad agosto, la Cina ha terminato la costruzione di una linea ferroviaria maglev che utilizza magneti realizzati con leghe di terre rare per far levitare i vagoni ferroviari senza consumare elettricità.

Xinhua/Alamy Foto Stock

Di Nikk Ogasa

16 gennaio 2023 alle 8:00

Nell'opera spaziale Dune di Frank Herbert, una preziosa sostanza naturale chiamata spezia melange garantisce alle persone la capacità di navigare nelle vaste distese del cosmo per costruire una civiltà intergalattica.

Nella vita reale qui sulla Terra, un gruppo di metalli naturali conosciuti come terre rare ha reso possibile la nostra società basata sulla tecnologia. La domanda di questi componenti cruciali in quasi tutta l’elettronica moderna è alle stelle.

Le terre rare soddisfano migliaia di esigenze diverse: il cerio, ad esempio, viene utilizzato come catalizzatore per raffinare il petrolio e il gadolinio cattura i neutroni nei reattori nucleari. Ma le capacità più eccezionali di questi elementi risiedono nella loro luminescenza e magnetismo.

Facciamo affidamento sulle terre rare per colorare gli schermi dei nostri smartphone, emettere fluorescenza per segnalare l’autenticità delle banconote in euro e trasmettere segnali attraverso cavi in ​​fibra ottica attraverso il fondale marino. Sono anche essenziali per costruire alcuni dei magneti più potenti e affidabili al mondo. Generano onde sonore nelle cuffie, amplificano le informazioni digitali nello spazio e spostano le traiettorie dei missili a ricerca di calore. Le terre rare stanno anche guidando la crescita delle tecnologie verdi, come l’energia eolica e i veicoli elettrici, e potrebbero persino dare origine a nuovi componenti per i computer quantistici.

"L'elenco potrebbe continuare all'infinito", afferma Stephen Boyd, chimico sintetico e consulente indipendente. "Sono ovunque."

Le terre rare sono i lantanidi – lutezio e tutti i 14 elementi tra lantanio e itterbio su una riga della tavola periodica – più scandio e ittrio, che tendono a trovarsi negli stessi depositi minerari e hanno proprietà chimiche simili ai lantanidi. Questi metalli dal grigio all'argenteo sono spesso malleabili con punti di fusione e di ebollizione elevati.

I loro poteri segreti risiedono nei loro elettroni. Tutti gli atomi hanno un nucleo circondato da elettroni, che abitano zone chiamate orbitali. Gli elettroni negli orbitali più lontani dal nucleo sono gli elettroni di valenza, che partecipano alle reazioni chimiche e formano legami con altri atomi.

La maggior parte dei lantanidi possiede un altro importante insieme di elettroni chiamati "elettroni f", che risiedono in una zona Riccioli d'oro situata vicino agli elettroni di valenza ma leggermente più vicina al nucleo. "Sono questi elettroni f che sono responsabili sia delle proprietà magnetiche che luminescenti degli elementi delle terre rare", afferma Ana de Bettencourt-Dias, chimica inorganica dell'Università del Nevada, Reno.

Le terre rare sono un gruppo di 17 elementi (evidenziati in blu nella tavola periodica). Un sottoinsieme di terre rare conosciute come lantanidi (lutezio, Lu, più la riga che inizia con lantanio, La) contengono ciascuna un subshell che tipicamente ospita elettroni f, che conferiscono agli elementi proprietà magnetiche e luminescenti.

Lungo alcune coste, il mare notturno occasionalmente si illumina di verde bluastro mentre il plancton bioluminescente viene spintonato tra le onde. Anche i metalli delle terre rare irradiano luce quando stimolati. Il trucco sta nel solleticare i loro elettroni f, dice de Bettencourt-Dias.

Utilizzando una fonte di energia come un laser o una lampada, scienziati e ingegneri possono portare uno degli elettroni f di una terra rara in uno stato eccitato e poi lasciarlo ricadere nello stato letargico, o nel suo stato fondamentale. "Quando i lantanidi tornano allo stato fondamentale", dice, "emettono luce".

Ogni terra rara emette in modo affidabile precise lunghezze d'onda della luce quando eccitata, dice de Bettencourt-Dias. Questa precisione affidabile consente agli ingegneri di sintonizzare attentamente la radiazione elettromagnetica in molti dispositivi elettronici. Il terbio, ad esempio, emette luce a una lunghezza d’onda di circa 545 nanometri, rendendolo adatto alla costruzione di fosfori verdi negli schermi di televisori, computer e smartphone. L'europio, che ha due forme comuni, viene utilizzato per costruire fosfori rossi e blu. Tutti insieme, questi fosfori possono dipingere gli schermi con la maggior parte delle sfumature dell'arcobaleno.