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Entender a mecânica quântica de ímãs de terras raras para produzir materiais mais sustentáveis
Pesquisadores da USP identificaram abordagens teóricas e realizaram experimentos para descrição dos ímãs permanentes, material de grande importância em eletrônicos mas que causa impactos ambientais em sua produção
Texto: Julia Custódio*
Arte: Simone Gomes
Ímãs de neodímio, material de difícil extração e de grande impacto ambiental - Foto: Wikimedia Commons,
A maior parte das pessoas só conhece os ímãs usados para colar recados e enfeites na porta da geladeira, mas eles fazem parte do funcionamento de dispositivos que se tornaram essenciais, como motores e aparelhos eletrônicos. Os ímãs permanentes, por exemplo, são capazes de armazenar informação para guardar memória em CDs e discos rígidos, além de melhorar a potência elétrica em geradores de energia e baterias, mas a produção desse material causa impactos ambientais devido à dificuldade de extração do elemento químico. Para contornar o custo, os impactos e a escassez é necessário entender as propriedades magnéticas a partir do conhecimento da interação entre elétrons no nível quântico. Esse estudo foi feito por pesquisadores do Instituto de Física (IF) da USP, com colaboração internacional, que identificaram abordagens teóricas e realizaram experimentos para descrição dos ímãs permanentes, o que, mais para a frente, pode auxiliar em pesquisas para desenvolvimento de materiais mais sustentáveis.
Diferente dos demais ímãs artificiais, o ímã permanente adquire suas propriedades através da interação de seus spins (propriedade quântica) com um campo magnético e, ao remover esse campo, o material mantém uma magnetização residual que caracteriza o ímã permanente. Do ponto de vista tecnológico, a capacidade de manter a imantação mesmo após a remoção do campo magnético é importante porque significa que os ímãs permanentes conseguem guardar informação, por isso eles são usados em eletrônicos.
Os permanentes mais fortes são compostos de elementos presentes em terras raras — conjunto de elementos químicos, normalmente encontrados na natureza misturados a minérios —, como o neodímio e o samário, materiais de difícil extração e manipulação, com altos custos e grande impacto ambiental. Por causa dessas dificuldades, é necessário um uso eficiente das terras raras na produção de uma nova geração de ímãs permanentes que alcancem uma funcionalidade tecnológica mais diversificada a um menor custo e impacto ambiental.
“É importante, no interesse da física, entender como os elétrons participam dentro da mecânica quântica e como a mecânica quântica explica o magnetismo, e, por outro lado, estudar a aplicação de como novos elementos de terras raras poderiam dar novas alternativas de produzir ímãs permanentes com menor custo e impacto ambiental”, diz Julio Larrea, professor do IF e coordenador do Laboratório de Materiais Quânticos em Condições Extremas (LQMEC). O pesquisador destaca que esse tipo de estudo tem interesse particular para o Brasil, o terceiro país com maior reserva de terras raras, mas que não explora essa riqueza devido ao custo das tecnologias de extração.
Julio Larrea – Foto : Arquivo pessoal
Segundo Larrea, no contexto de mudança climática global, é necessário produzir aplicações técnicas com o menor gasto de energia possível e com funcionalidades mais diversas. Por essa perspectiva, materiais com terras raras podem ser uma alternativa para ímãs de ferro, por exemplo, uma vez que os elétrons desse elemento não interagem tanto entre si, o que gasta muita energia em dissipação durante seu uso.
O início
O estudo partiu do ímã de neodímio-cobalto (NdCo5), com o espalhamento de nêutrons, em experimento realizado no acelerador de nêutrons no ISIS – Rutherford Appleton Laboratory (RAL), no Reino Unido. “A gente esperava obter quais são os parâmetros dessas interações que participam do material e que contribuem para o magnetismo dele”, afirma Fernando de Almeida Passos, primeiro autor da pesquisa.
Além dessa investigação, o doutorando também estudou os ímãs de (Sm,Y)Co5 para entender como a substituição de elementos muda as propriedades magnéticas do material, mais especificamente, as interações responsáveis pelos aspectos dos ímãs permanentes. “Fazemos o que chamamos de substituição química, trocando o samário e colocando um átomo de um outro elemento, que no caso é o ítrio.”
“Ele também é próximo das terras raras, mas tem uma configuração de elétrons diferente”, explica Fernando Passos. A liga passa por processos de sintetização, fundição, caracterização e medição das propriedades magnéticas.
A partir da análise minuciosa das medidas com espalhamento de nêutrons, considerando todas as interações entre elétrons e spins, além da simetria cristalina formada no ímã permanente, os pesquisadores obtiveram os parâmetros do campo cristalino (interações entre cargas nas posições dos átomos) e do campo de interação, o que ajuda a entender melhor o que acontece com esses compostos em nível atômico e quais são as melhores ferramentas teóricas para investigar os ímãs permanentes.
Com os experimentos de espalhamento de nêutrons, o estudo pôde inferir os diferentes estados quânticos e escalas de energia associadas a eles, responsáveis por propriedades físicas como a orientação dos momentos magnéticos e a anisotropia magnética (propriedades físicas diferentes conforme a direção de análise muda) dentro de um ímã. Os resultados também confirmaram a importância dos efeitos de hibridização do orbital (união das nuvens eletrônicas dentro do átomo) para as propriedades magnéticas de ímãs de NdCo5.
A melhor compreensão dos ímãs de terras raras abre caminhos para identificar abordagens mais adequadas para descrever o material e criar novos ímãs de melhor desempenho. “Uma das coisas que pretendemos encontrar são novos materiais com múltiplas funcionalidades. Os ímãs permanentes têm uma funcionalidade única de armazenar dados, mas você também poderia, talvez, dissipar ou fazer uma condução de elétrons de corrente sem dissipação. Assim, teria uma corrente efetiva indo, sem nenhum gasto de energia, aumentando a funcionalidade da aplicação”, destaca Larrea.
Inelastic neutron scattering investigation of the crystal field excitations of NdCo5 foi feito em colaboração com pesquisadores do Reino Unido e publicado na revista Physical Review B.
*Estagiário sob supervisão de Fabiana Mariz
Mais informações: e-mail larrea@if.usp.br, com Julio Larrea
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