Gli elettroni nascosti delle terre rare rendono possibile gran parte della tecnologia moderna

Lo Shanghai Transrapid è un treno a levitazione magnetica (maglev) ad alta velocità che viaggia a velocità fino a 430 chilometri (270 miglia) all'ora. I magneti necessari per tali sistemi si basano sui metalli delle terre rare. Sei ferrovie attualmente offrono servizi maglev ad alta velocità e a basso consumo energetico.

Christian Petersen-Clausen/Moment Open/Getty Images Plus

Di Nikk Ogasa

4 maggio 2023 alle 6:30

Il primo volume della serie Dune di Frank Herbert ha debuttato nel 1965. L'estrazione di una preziosa sostanza naturale chiamata spezia melange era un tema trainante in quell'epica saga spaziale. Questa spezia garantiva alle persone la capacità di navigare nelle vaste distese del cosmo. Divenne anche la base di una civiltà intergalattica. Quella era, ovviamente, finzione.

Qui sulla Terra, nella vita reale, un gruppo di elementi metallici ha reso possibile la nostra società guidata dalla tecnologia. Chiamati terre rare, questi 17 elementi sono cruciali per quasi tutta l'elettronica moderna. E la domanda di questi metalli è salita alle stelle.

Quindici terre rare costituiscono un'intera riga nella maggior parte delle tavole periodiche. Conosciuti come lantanidi, vanno dal lantanio al lutezio, numeri atomici da 57 a 71. Nelle terre rare sono inclusi anche lo scandio (numero atomico 21) e l'ittrio (numero atomico 39). Questi ultimi due elementi tendono a trovarsi negli stessi giacimenti minerari dei lantanidi. Hanno anche proprietà chimiche simili.

Il cerio delle terre rare può fungere da catalizzatore per trasformare il petrolio greggio in una serie di prodotti utili. I reattori nucleari fanno affidamento su un altro: il gadolinio. Cattura i neutroni per controllare la produzione di energia da parte del combustibile di un reattore.

Ma le capacità più eccezionali delle terre rare sono la loro luminescenza e il magnetismo. Ad esempio, facciamo affidamento sulle terre rare per colorare gli schermi dei nostri smartphone. La loro fluorescenza segnala che le banconote in euro sono il vero affare. Trasmettono segnali attraverso cavi in ​​fibra ottica lungo il fondale marino. Aiutano anche a costruire alcuni dei magneti più potenti e affidabili al mondo. Questi metalli generano onde sonore nelle cuffie e amplificano i dati digitali nello spazio.

Più recentemente, le terre rare hanno guidato la crescita delle tecnologie verdi, come l’energia eolica e i veicoli elettrici. Potrebbero persino dare origine a nuove parti utilizzate nei computer quantistici.

"Sono ovunque", dice Stephen Boyd di questi metalli. È un chimico sintetico e consulente indipendente con sede a Dixon, in California. Quando si tratta degli usi delle terre rare, dice: "L'elenco potrebbe continuare all'infinito".

Le terre rare tendono ad essere malleabili (facili da deformare). Questi metalli hanno anche punti di fusione e di ebollizione elevati. Ma il loro potere segreto risiede nei loro elettroni.

Tutti gli atomi hanno un nucleo circondato da elettroni. Quei minuscoli elettroni abitano zone chiamate orbitali. Gli elettroni negli orbitali più lontani dal nucleo sono detti elettroni di valenza. Prendono parte alle reazioni chimiche e formano legami che collegano insieme gli atomi.

La maggior parte dei lantanidi possiede un altro importante insieme di elettroni. Questi “elettroni f” risiedono in una zona Riccioli d’oro. Si trova vicino agli elettroni di valenza ma leggermente più vicino 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. È una chimica inorganica presso l'Università del Nevada, Reno.

Quando stimolati, i metalli delle terre rare irradiano luce. Il trucco sta nel solleticare i loro elettroni f, dice de Bettencourt-Dias. Una fonte di energia come un raggio laser può scuotere un elettrone f in un elemento delle terre rare. L'energia spinge l'elettrone in uno stato eccitato. Successivamente, tornerà al suo stato iniziale, o fondamentale. Mentre lo fanno, questi elettroni f emettono luce.

Il gruppo di 17 elementi (evidenziati in blu su questa tavola periodica) sono conosciuti come terre rare. Un sottoinsieme di essi, noto come lantanidi – lutezio, Lu, più la riga che inizia con lantanio, La – appare in un’unica riga. Gli elementi delle terre rare hanno un sottoguscio di elettroni (chiamati elettroni f) che conferiscono a questi metalli proprietà magnetiche e luminescenti.