Nitruros de hierro: potentes imanes sin elementos de tierras raras

Desde su aparición relativamente reciente en la escena comercial, los imanes de tierras raras han capturado la imaginación del público. La cantidad de energía magnética contenida en estos diminutos objetos brillantes ha llevado a avances tecnológicos que no eran posibles antes de que aparecieran, como los motores de vibración de los teléfonos móviles o los diminutos altavoces de los auriculares y audífonos. Por no hablar de los motores de vehículos eléctricos y los generadores de aerogeneradores, así como de innumerables usos médicos, militares y científicos.

Sin embargo, estos avances tienen un costo, ya que los elementos de tierras raras necesarios para fabricarlos son cada vez más difíciles de conseguir. No es que los elementos de tierras raras como el neodimio sean tan raros geológicamente; por el contrario, los depósitos están distribuidos de manera desigual, lo que permite que los metales se conviertan fácilmente en peones en un interminable juego de ajedrez geopolítico. Además, extraerlos de sus minerales es un negocio complicado en una época de mayor sensibilidad a las consideraciones ambientales.

Afortunadamente, hay más de una manera de hacer un imán y pronto será posible construir imanes permanentes tan fuertes como los imanes de neodimio, pero sin metales de tierras raras. De hecho, lo único que se necesita para hacerlos es hierro y nitrógeno, junto con una comprensión de la estructura cristalina y algo de ingenio de ingeniería.

Alinear todo

Para empezar, ¿qué es un imán permanente? Como muchas preguntas simples sobre la naturaleza, no hay una respuesta fácil que no requiera una buena cantidad de gestos con las manos. Incluso los físicos finalmente llegan a un punto en el que su respuesta se reduce a "Simplemente no lo sabemos". Pero eso no significa que el magnetismo sea un completo misterio, y las cosas que sabemos al respecto son bastante simples y realmente ayudan a comprender cómo funcionan los imanes de tierras raras y sus alternativas.

Ya probamos los conceptos básicos del magnetismo, pero para resumir, cualquier partícula cargada, como un electrón, tiene lo que se llama un momento magnético intrínseco, lo que significa que actúan como pequeños imanes. En átomos con capas de electrones llenas, estos momentos magnéticos se anulan porque cada par de electrones tiene momentos que apuntan en direcciones opuestas. Pero en los átomos con electrones desapareados en sus capas externas, no hay nada que cancele los momentos magnéticos, lo que significa que estos elementos son magnéticos. Estos elementos tienden a provenir de dos áreas específicas de la tabla periódica: los metales del bloque d como el cobalto, el níquel y el hierro, y los actínidos del bloque f, que incluyen metales de tierras raras como el samario, el neodimio y el praseodimio.< / p>

Los elementos ferromagnéticos tienden a tener electrones desapareados, como los que se encuentran en el medio de los bloques d y f de la tabla periódica. Pero, ¿qué pasa con el nitrógeno, por todas partes en el bloque p? Fuente: Minute Physics

Un imán es algo más que el lugar de donde provienen sus ingredientes en la tabla periódica. El magnetismo consiste en alinear todos estos momentos magnéticos intrínsecos y actuar en la misma dirección. Así como los electrones de un átomo de un elemento magnético no deben luchar entre sí, los átomos también deben disponerse de modo que sus momentos magnéticos apunten todos en la misma dirección. A esto se le llama tener un campo magnético alto...