Ímãs sem terras raras: O material extraterrestre

Já pensou reduzir o tempo de produção de centenas de milhões de anos para apenas 300 horas? Foi isso que os cientistas japoneses fizeram com o ímã de ferro níquel que não possui terras raras. Esse material é proveniente do espaço e chegou na terra através de meteoritos, que possuíam pequenas quantidades dele. Obviamente sua extração é muito difícil, já que ainda não temos mineração espacial em larga escala, assim foi estudado como produzir esse material.

Os ímãs mais comuns são aqueles com terras raras. Metais de terras raras são os elementos que na tabela periódica fazem parte do grupo dos lantanídeos. E são os elementos destacados na tabela abaixo.

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Ímãs em geral podem ser divididos em:

Materiais magnéticos duros: Materiais que apresentam força magnética permanente.

Materiais magnéticos moles: São aqueles que apresentam força magnética apenas quando é aplicada um campo magnético.

Nesse caso, o ímã Fe-Ni é um material magnético duro e possui uma energia magnética máxima muito próxima da do melhor ímã duro já produzido. Muito bom, não?

Naturalmente, esse material é formado por um resfriamento muito lento, com a taxa de 1 Kelvin por milhões de anos e resulta na separação de duas fases, alfa (camacite) e gama (tenites) na interface de FeNi. É praticamente impossível obter as mesmas propriedades quando ele é produzido da forma artificial, isso porque a temperatura de transformação de ordem-desordem é muito baixa (320ºC). Os coeficientes de difusão do ferro e do níquel são muito baixos nessa temperatura e praticamente não ocorre nenhuma difusão, por isso que demora milhões de anos.

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Tenite

Desde 1960, quando foi descoberto esse material nos meteoros, muitas técnicas de produção foram estudadas e nenhuma obteve sucesso até então. O que foi descoberto é que se uma liga de FeNi puder ser feita no seu estado amorfo e sua temperatura de cristalização for próxima a da de transição ordem-desordem, o material pode ser feito artificialmente. Porém, geralmente a temperatura de cristalização dessas ligas é muito maior, por volta de 450ºC.

No trabalho realizado foi desenvolvida uma liga nanocristalina de FeSiBPCu. O estado inicial dessa liga é amorfo, mas cristaliza em nanocristais de α-Fe, abaixo de 400°C. Assim foram feitos os materiais magnéticos duros sem terras raras.

Essa pesquisa é muito importante, porque as pesquisas com materiais magnéticos duros estagnou há 30 anos atrás, quando foram descobertos os ímãs com terras raras.

E por que é melhor ter todo esse trabalho do que usar um ímã de terras raras?

O problema é que esses metais são caros, daqui alguns anos pode ocorrer a exaustão de recursos e grande parte da produção hoje está concentrada na China, o que dificulta a comercialização por causa do monopólio.

 

Referências:

Inovação tecnológica – Ímã extraterrestre sem terras raras

Makino, A. et al. Artificially produced rare-earth free cosmic magnet. Sci. Rep. 5, 16627; doi: 10.1038/srep16627 (2015).

Nova família de materiais luminescentes

Os materiais luminescentes são bem utilizados no nosso cotidiano, por exemplo em sinalizações de saída de emergência ou na sinalização de trânsito. Esse fenômeno pode ocorrer em qualquer estado da matéria e é relacionado com a capacidade do material de emitir luz através de uma reação química, radiação ionizante ou até mesmo por meio de uma emissão de luz. A transferência ou absorção de energia se dá através de um íon de espécie ativadora, que quando excitado sofre decaimento e então emite radiação de menor energia que a fonte incidente. O que também pode ocorrer é que o íon ativador não é capaz de absorver a energia de excitação direta, então para absorver essa energia será utilizado um íon sensibilizador.

Cientistas do MIT desenvolveram uma família de materiais bioinspirados luminescentes que emitem precisamente cores controladas (até mesmo o branco) e cuja emissão pode ser ajustada conforme a variação das condições do ambiente. Esses materiais consistem em um metallogel, que é um polímero metálico feito de metais de terras raras, pois eles apresentam grande rendimento quântico, e que no caso é feito com lantanídeo. O princípio de emissão de luz pode ser ajustado conforme estimulos químicos, mecânicos ou até mesmo térmicos, assim eles podem identificar a presença de alguma substância ou situação particular. Isso é possível através da combinação do lantanídeo com o polímero polietilenoglicol. Dessa forma eles podem detectar toxinas, poluentes e elementos patogênicos através das diferentes emissões de luz quando em contato com essas substâncias.

Outra aplicação desses incríveis materiais é na detectação de tensão em sistemas mecânicos. Esse material pode ser aplicado em forma de gel ou como um revestimento nas estruturas, então antes que a falha ocorra, ele irá identificá-la. Além disso, esses materiais compósitos são capazes de auto-montagem e auto-regeneração e podem ser utilizados em casos que necessite de absorção de energia sem fraturar, como em implantes biológicos.

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Materiais luminescentes produzidos pelo MIT. Fonte imagem

E por que eles são bioinspirados?

Bom, o engenheiro de materiais Niels Holten-Andersen disse que ele procura usar os truques presentes na natureza para projetar polímeros que sejam bioinspirados e esses materiais luminescentes não deixam de ser um caso, porque ele se baseou nos organismos presentes no oceano.

Um grande centro no Brasil que trabalha com materiais luminescentes é o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) que é ligado à USP. Nele o químico Everton Bonturim desenvolve materiais com luminescência persistente, que é o fenômeno no qual continuam emitindo luz por minutos ou até mesmo horas depois de cessada a excitação e quando o sistema absorve energia térmica a energia dele será liberada. E o principal diferencial dessa pesquisa feita por Bonturim é que ele estuda as propriedades que esses materiais terão em escala nanométricas para serem agregados em materiais como polímeros e sílica. Como já falado anteriormente, são utilizados metais de terras raras nesse sistema e os três tipos presentes na pesquisa do IPEN são o térbio (Tb), európio (Eu), e túlio (Tm).

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Material luminescente. Fonte imagem

A aplicação mais provável para eles é transforma-los em marcadores biológicos, que permitem a identificação de substratos e são úteis no diagnóstico de doenças. Além disso são utilizados na área de segurança ao serem utilizados em células e documentos.

Você conhece mais algum centro de pesquisa que trabalha com materiais luminescentes ou alguma outra aplicação? Não deixe de compartilhar com a gente!

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