Un nuevo método potencial para fabricar imanes de alto rendimiento utilizados en turbinas eólicas y automóviles eléctricos sin necesidad de elementos de tierras raras ha sido desarrollado en Cambridge.
Un equipo de esta universidad, en colaboración con colegas de Austria, encontró una nueva forma de hacer un posible reemplazo para los imanes de tierras raras: la tetrataenita, un "imán cósmico" que tarda millones de años en desarrollarse naturalmente en los meteoritos.
Los intentos anteriores de hacer tetrataenita en el laboratorio se han basado en métodos extremos poco prácticos. 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.
Los resultados se informan en la revista Advanced Science. Cambridge Enterprise, el brazo de comercialización de la Universidad, y la Academia de Ciencias de Austria han presentado una solicitud de patente sobre la tecnología.
Los imanes de alto rendimiento son una tecnología vital para construir una economía sin emisiones de carbono, y los mejores imanes permanentes disponibles en la actualidad contienen elementos de tierras raras. A pesar de su nombre, las tierras raras abundan en la corteza terrestre. Sin embargo, China tiene casi el monopolio de la producción mundial: en 2017, el 81% de las tierras raras en todo el mundo procedían de China. Otros países, como Australia, también extraen estos elementos, pero a medida que aumentan las tensiones geopolíticas con China, existe la preocupación de que el suministro de tierras raras pueda estar en riesgo.
"Los depósitos de tierras raras existen en otros lugares, pero las operaciones mineras son muy perturbadoras: hay que extraer una gran cantidad de material para obtener un pequeño volumen de tierras raras", dijo en un comunicado la profesora Lindsay Greer del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de Cambridge, quien dirigió el estudio. "Entre los impactos ambientales y la gran dependencia de China, ha habido una búsqueda urgente de materiales alternativos que no requieran tierras raras".
La tetrataenita, una aleación de hierro y níquel con una estructura atómica ordenada particular, es una de las alternativas más prometedoras. La tetrataenita se forma durante millones de años a medida que un meteorito se enfría lentamente, dando a los átomos de hierro y níquel suficiente tiempo para ordenarse en una secuencia de apilamiento particular dentro de la estructura cristalina, lo que finalmente da como resultado un material con propiedades magnéticas cercanas a las de los imanes de tierras raras.
En la década de 1960, los científicos pudieron formar artificialmente tetrataenita bombardeando aleaciones de hierro y níquel con neutrones, lo que permitió que los átomos formaran el apilamiento ordenado deseado, pero esta técnica no es adecuada para la producción en masa.
"Desde entonces, a los científicos les ha fascinado obtener esa estructura ordenada, pero siempre se sintió como algo que estaba muy lejos", dijo Greer. A pesar de muchos intentos a lo largo de los años, aún no ha sido posible fabricar tetrataenita en algo que se acerque a una escala industrial.
Ahora, Greer y sus colegas de la Academia de Ciencias de Austria y la Montanuniversität en Leoben han encontrado una posible alternativa que no requiere millones de años de enfriamiento o irradiación de neutrones.
El equipo estaba estudiando las propiedades mecánicas de las aleaciones de hierro y níquel que contenían pequeñas cantidades de fósforo, un elemento que también está presente en los meteoritos. El patrón de fases dentro de estos materiales mostró la estructura de crecimiento similar a un árbol esperada llamada dendritas.
"Para la mayoría de las personas, habría terminado ahí: nada interesante de ver en las dendritas, pero cuando miré más de cerca, vi un patrón de difracción interesante que indica una estructura atómica ordenada", dijo el primer autor, el doctor Yurii Ivanov, quien completó el trabajo mientras en Cambridge y ahora tiene su sede en el Instituto Italiano de Tecnología en Génova.
A primera vista, el patrón de difracción de la tetrataenita parece el de la estructura esperada para las aleaciones de hierro y níquel, es decir, un cristal desordenado que no tiene interés como imán de alto rendimiento. Ivanov miró más de cerca para identificar la tetrataenita, pero aun así, Greer dice que es extraño que nadie lo haya notado antes.
Los investigadores dicen que el fósforo, que está presente en los meteoritos, permite que los átomos de hierro y níquel se muevan más rápido, lo que les permite formar el apilamiento ordenado necesario sin esperar millones de años. Al mezclar hierro, níquel y fósforo en las cantidades adecuadas, pudieron acelerar la formación de tetrataenita entre 11 y 15 órdenes de magnitud, de modo que se forma en unos pocos segundos en una fundición simple.
"Lo que fue tan sorprendente fue que no se necesitó ningún tratamiento especial: simplemente fundimos la aleación, la vertimos en un molde y obtuvimos tetrataenita", dijo Greer. "La opinión anterior en el campo era que no se podía obtener tetrataenita a menos que se hiciera algo extremo, porque de lo contrario, tendría que esperar millones de años para que se formara. Este resultado representa un cambio total en la forma en que pensamos sobre este material".
Si bien los investigadores han encontrado un método prometedor para producir tetrataenita, se necesita más trabajo para determinar si será adecuado para imanes de alto rendimiento. El equipo espera trabajar en esto con los principales fabricantes de imanes.
El trabajo también puede forzar una revisión de las opiniones sobre si la formación de tetrataenita en los meteoritos realmente lleva millones de años.