Nitretos de ferro: ímãs poderosos sem os elementos de terras raras

Desde sua aparição relativamente recente no cenário comercial, os ímãs de terras raras causaram grande impacto na imaginação do público. A quantidade de energia magnética contida nesses objetos minúsculos e brilhantes levou a saltos tecnológicos que não eram possíveis antes de eles aparecerem, como os motores de vibração em telefones celulares ou os minúsculos alto-falantes em fones de ouvido e aparelhos auditivos. E isso sem falar nos motores dos veículos elétricos e nos geradores das turbinas eólicas, além de inúmeros usos médicos, militares e científicos.

Esses avanços têm um custo, no entanto, já que os elementos de terras raras necessários para produzi-los estão ficando mais difíceis de encontrar. Não é que os elementos de terras raras como o neodímio sejam tão raros geologicamente; em vez disso, os depósitos são distribuídos de forma desigual, tornando mais fácil para os metais se tornarem peões em um jogo de xadrez geopolítico sem fim. Além do mais, extraí-los de seus minérios é um negócio complicado em uma era de maior sensibilidade às considerações ambientais.

Felizmente, há mais de uma maneira de fazer um ímã, e em breve será possível construir ímãs permanentes tão fortes quanto os ímãs de neodímio, mas sem metais de terras raras. Na verdade, a única coisa necessária para produzi-los é ferro e nitrogênio, além de uma compreensão da estrutura cristalina e alguma engenhosidade de engenharia.

Para começar, o que é um ímã permanente? Como muitas perguntas simples sobre a natureza, não há uma resposta fácil que não exija uma boa quantidade de acenos de mão. Mesmo os físicos eventualmente chegam a um ponto em que sua resposta se resume a: "Simplesmente não sabemos". Mas isso não significa que o magnetismo seja um mistério completo, e as coisas que sabemos sobre ele são bastante diretas e realmente ajudam a entender como funcionam os ímãs de terras raras e suas alternativas.

Já estudamos os fundamentos do magnetismo antes, mas, para resumir, qualquer partícula carregada, como um elétron, tem o que é conhecido como momento magnético intrínseco, o que significa que eles agem como pequenos ímãs. Em átomos com camadas eletrônicas preenchidas, esses momentos magnéticos se anulam porque cada par de elétrons tem momentos que apontam em direções opostas. Mas em átomos com elétrons desemparelhados em suas camadas externas, não há nada para cancelar os momentos magnéticos, o que significa que esses elementos são magnéticos. Esses elementos tendem a vir de duas áreas específicas da tabela periódica: os metais do bloco d, como cobalto, níquel e ferro, e os lantanídeos de actinídeos do bloco f, que incluem os metais de terras raras, como samário, neodímio e praseodímio.

Há mais em um ímã do que apenas a origem de seus ingredientes na tabela periódica. O magnetismo consiste em alinhar todos os momentos magnéticos intrínsecos e agir na mesma direção. Assim como os elétrons em um átomo de um elemento magnético não devem lutar entre si, os átomos também devem se organizar para que seus momentos magnéticos apontem todos para o mesmo. Isso é chamado de alta anisotropia magnética e é uma das características de ímãs fortes. Metais de terras raras como o neodímio têm anisotropia magnética muito alta, o que contribui para a força dos ímãs de terras raras.

Mas os metais de terras raras por si só produzem ímãs muito ruins, pelo menos em um nível prático. Isso se deve ao seu ponto Curie relativamente baixo, que é a temperatura acima da qual uma substância perde suas propriedades magnéticas. À temperatura ambiente, uma barra pura de neodímio não seria um ímã. Na verdade, ele precisaria ser resfriado abaixo de 20 K para ter propriedades magnéticas. Para contornar isso, os metais de terras raras são misturados com outros elementos ferromagnéticos para formar ligas que possuem uma forte coercividade magnética e, ao mesmo tempo, um ponto Curie decente. A liga magnética de terras raras mais comum, uma combinação de ferro, neodímio e boro, tem uma temperatura Curie na faixa de 300-400°C, dependendo da mistura exata de elementos.

Ir mais fundo na toca do coelho do magnetismo requer familiarizar-se com os conceitos da cristalografia. Este é um assunto terrivelmente complicado, com nomenclatura e terminologia que é confusa porque parece ser a mesma notação de fórmula química padrão, mas claramente não é. Uma compreensão completa de como a adição de neodímio ao ferro cria um poderoso ímã permanente e como é possível fazer um poderoso ímã sem qualquer terra rara exigiria um mergulho mais profundo na cristalografia do que temos espaço aqui. Felizmente, o básico será suficiente, junto com um pequeno aceno de mão. E o crédito é devido aqui ao meu amigo Zachary Tong, que contribuiu e me ajudou a entender esses tópicos difíceis.