Pesquisadores descobriram um novo método potencial para fazer os ímãs de alto desempenho usados ??em turbinas eólicas e carros elétricos sem a necessidade de elementos de terras raras, que são quase exclusivamente originários da China.

Uma equipe da Universidade de Cambridge, trabalhando com colegas da Áustria, encontrou uma nova maneira de fazer um possível substituto para os ímãs de terras raras: a tetratenita, um “ímã cósmico” que leva milhões de anos para se desenvolver naturalmente em meteoritos.

Tentativas anteriores de fazer tetratenita em laboratório se basearam em métodos impraticáveis ??e extremos. Mas a adição de um elemento comum – o fósforo – pode significar que é possível fazer tetratenita artificialmente e em escala, sem nenhum tratamento especializado ou técnicas caras.

Os resultados são relatados na revista Advanced Science . Um pedido de patente sobre a tecnologia foi apresentado pela Cambridge Enterprise, o braço de comercialização da Universidade, e pela Academia Austríaca de Ciências.

Os ímãs de alto desempenho são uma tecnologia vital para construir uma economia de carbono zero, e os melhores ímãs permanentes atualmente disponíveis contêm elementos de terras raras . Apesar do nome, as terras raras são abundantes na crosta terrestre. No entanto, a China tem quase o monopólio da produção global: em 2017, 81% das terras raras em todo o mundo foram provenientes da China. Outros países, como a Austrália, também mineram esses elementos, mas à medida que as tensões geopolíticas com a China aumentam, há preocupações de que o fornecimento de terras raras possa estar em risco.

“Depósitos de terras raras existem em outros lugares, mas as operações de mineração são altamente perturbadoras: você precisa extrair uma enorme quantidade de material para obter um pequeno volume de terras raras”, disse a professora Lindsay Greer, do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia de Cambridge, que liderou o pesquisar. “Entre os impactos ambientais e a forte dependência da China, houve uma busca urgente por materiais alternativos que não exijam terras raras”.

Tetrataenite, uma liga de ferro-níquel com uma estrutura atômica ordenada particular, é uma das mais promissoras dessas alternativas. O tetrataenito se forma ao longo de milhões de anos à medida que um meteorito esfria lentamente, dando aos átomos de ferro e níquel tempo suficiente para se ordenarem em uma sequência de empilhamento específica dentro da estrutura cristalina , resultando em um material com propriedades magnéticas próximas às dos ímãs de terras raras.

Na década de 1960, os cientistas conseguiram formar artificialmente tetratenita bombardeando ligas de ferro-níquel com nêutrons, permitindo que os átomos formassem o empilhamento ordenado desejado, mas essa técnica não é adequada para produção em massa.

“Desde então, os cientistas ficaram fascinados em obter essa estrutura ordenada, mas sempre pareceu algo muito distante”, disse Greer. Apesar de muitas tentativas ao longo dos anos, ainda não foi possível produzir tetratenita em escala industrial.

Agora, Greer e seus colegas da Academia Austríaca de Ciências e do Montanuniversität em Leoben, encontraram uma alternativa possível que não requer milhões de anos de resfriamento ou irradiação de nêutrons.

A equipe estava estudando as propriedades mecânicas de ligas de ferro-níquel contendo pequenas quantidades de fósforo, um elemento que também está presente em meteoritos. O padrão de fases dentro desses materiais mostrou a estrutura de crescimento esperada em forma de árvore chamada dendritos.

"Para a maioria das pessoas, teria terminado ali: nada interessante para ver nos dendritos, mas quando olhei mais de perto, vi um padrão de difração interessante indicando uma estrutura atômica ordenada", disse o primeiro autor Dr. Yurii Ivanov, que completou o trabalho. enquanto em Cambridge e agora está sediado no Instituto Italiano de Tecnologia em Gênova.

À primeira vista, o padrão de difração da tetratenita se parece com a estrutura esperada para ligas de ferro-níquel, ou seja, um cristal desordenado que não tem interesse como ímã de alto desempenho. Foi preciso um olhar mais atento de Ivanov para identificar o tetratenito, mas mesmo assim Greer diz que é estranho que ninguém tenha notado antes.

Os pesquisadores dizem que o fósforo, que está presente nos meteoritos, permite que os átomos de ferro e níquel se movam mais rápido, permitindo que eles formem o empilhamento ordenado necessário sem esperar milhões de anos. Ao misturar ferro, níquel e fósforo nas quantidades certas, eles foram capazes de acelerar a formação de tetratenito entre 11 e 15 ordens de magnitude, de modo que se forma em alguns segundos na fundição simples.

"O que foi tão surpreendente foi que nenhum tratamento especial foi necessário: apenas derretemos a liga, despejamos em um molde e tivemos tetratenita", disse Greer. "A visão anterior no campo era que você não poderia obter tetratenita a menos que você fizesse algo extremo, porque senão você teria que esperar milhões de anos para que ela se formasse. Esse resultado representa uma mudança total na forma como pensamos sobre esse material. ."

Embora os pesquisadores tenham encontrado um método promissor para produzir tetratenita, é necessário mais trabalho para determinar se ele será adequado para ímãs de alto desempenho. A equipe espera trabalhar nisso com os principais fabricantes de ímãs.

O trabalho também pode forçar uma revisão de opiniões sobre se a formação de tetratenito em meteoritos realmente leva milhões de anos.