Los investigadores han descubierto un nuevo método para fabricar los imanes de alto rendimiento que se utilizan en las turbinas eólicas y los vehículos eléctricos sin necesidad de utilizar elementos de tierras raras, que se obtienen casi exclusivamente en China.
Un equipo de la Universidad de Cambridge, en colaboración con colegas austriacos, ha descubierto una nueva forma de fabricar un posible sustituto de los imanes de tierras raras: la tetrataenita, un «mineral cósmico» que tarda millones de años en desarrollarse de forma natural en los meteoritos.
Estos imanes de alto rendimiento, utilizados en las turbinas eólicas y los vehículos eléctricos, son vitales para construir una economía con cero emisiones de carbono. Actualmente, los mejores imanes disponibles requieren elementos de tierras raras.
Los anteriores intentos de fabricar tetrataenita en el laboratorio se han basado en métodos poco prácticos y extremos. Pero la adición de un elemento común, el fósforo, podría significar que es posible fabricar tetrataenita artificialmente y a escala, sin ningún tratamiento especializado ni técnicas costosas.
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Aunque el nombre de «tierras raras» suene poco prometedor, estos elementos no son tan raros como parecen. Sin embargo, hasta la fecha, China tiene casi el monopolio de la producción mundial, cita un comunicado de prensa publicado por la Universidad de Cambridge.
Por ejemplo, en 2017, el 81% de los elementos de tierras raras de todo el mundo procedían de China. Y a medida que aumentan las tensiones geopolíticas con China, preocupa que el suministro de tierras raras pueda estar en riesgo.
Los elementos de tierras raras son abundantes en todo el mundo, pero simplemente no son fáciles de extraer. Además, los métodos de extracción minera necesarios no son muy respetuosos con el medio ambiente.
Se necesitan urgentemente materiales alternativos que no requieran elementos de tierras raras, y aquí es donde entra en juego la investigación del equipo.
La tetrataenita y su fabricación
La tetrataenita, una aleación de hierro y níquel con una particular estructura atómica ordenada, es una de las más prometedoras de esas alternativas.
La tetrataenita se forma a lo largo de millones de años cuando un meteorito se enfría lentamente, lo que da a los átomos de hierro y níquel el tiempo suficiente para ordenarse en una determinada secuencia de apilamiento dentro de la estructura cristalina, lo que finalmente da lugar a un material con propiedades magnéticas cercanas a las de los imanes de tierras raras.
El equipo estudió las propiedades mecánicas de aleaciones de hierro y níquel que contienen pequeñas cantidades de fósforo, un elemento que también está presente en los meteoritos. El patrón de fases dentro de estos materiales mostraba la esperada estructura de crecimiento en forma de árbol llamada dendritas.
El equipo de Cambridge descubrió que, añadiendo fósforo, un elemento común, la tetrataenita podía fabricarse a escala y de forma artificial sin necesidad de métodos extremos o costosos.
«Cuando miré más de cerca, vi un interesante patrón de difracción que indicaba una estructura atómica ordenada», dijo el primer autor, el Dr. Yurii Ivanov, que completó el trabajo mientras estaba en Cambridge y ahora está basado en el Instituto Italiano de Tecnología de Génova.
Inicialmente, el patrón de difracción de la tetrataenita se parecía al de la estructura esperada para las aleaciones de hierro y níquel. Pero el Dr. Ivanov, con una mirada más atenta, identificó la tetrataenita. Al mezclar hierro, níquel y fósforo en las cantidades adecuadas, el equipo pudo acelerar la formación de la tetrataenita entre 11 y 15 órdenes de magnitud. Se formó en cuestión de segundos en una simple colada.
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«Lo sorprendente fue que no se necesitó ningún tratamiento especial: simplemente fundimos la aleación, la vertimos en un molde y ya teníamos tetrataenita», dijo el profesor Lindsay Greer, del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cambridge, que dirigió la investigación.
La opinión anterior en este campo era que no se podía obtener tetrataenita a menos que se hiciera algo extremo porque, de lo contrario, habría que esperar millones de años para que se formara. Este resultado representa un cambio total en la forma de pensar sobre este material.
Aunque los investigadores han encontrado un método prometedor para producir tetrataenita, es necesario seguir trabajando para determinar si será adecuado para imanes de alto rendimiento. El equipo espera trabajar en este sentido con los principales fabricantes de imanes.
El trabajo también puede obligar a revisar los puntos de vista sobre si la formación de tetrataenita en los meteoritos lleva realmente millones de años.
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