¿Por qué los metales de tierras raras son importantes para la electrónica?

He estado escuchando mucho en los medios sobre la importancia de los metales de tierras raras (desde el punto de vista económico de que China limite su exportación), pero qué hacen algunos de ellos que los hace tan esenciales que no se pueden hacer con más elementos comunes como silicio, oro, cobre, aluminio, germanio, etc. Parece que todos los componentes básicos de una computadora digital, como los transistores, se pueden hacer sin ellos, entonces, ¿por qué tanto alboroto?

He buscado algunos artículos, pero todos están escritos para el público en general y solo mencionan qué dispositivos requieren tierras raras en lugar de componentes reales.

Aunque el tantalio no es una de las tierras raras, es uno de los "metales de transición", como el oro, la escasez de tantalio (1 o 2 ppm de la corteza terrestre) y el uso primario en electrónica (condensadores de tantalio) encaja con el alcance de esta pregunta.

La legislación reciente en los EE. UU. (Julio de 2010) exige que las empresas revelen si están utilizando productos con tántalo obtenidos de la República Democrática del Congo (RDC). Como resultado, los precios han aumentado bruscamente a medida que otros productores vuelven lentamente a estar en línea. Una mina en Australia representa 1/3 de la producción mundial potencial mundial.

(Nota: la escala vertical del gráfico no comienza en cero, da un aspecto ligeramente distorsionado. El gráfico de tamaño completo está aquí )

Debido a que los capacitores electrolíticos de tantalio pueden ser mucho más pequeños que los capacitores electrolíticos de aluminio de la misma capacidad y tienen clasificaciones de voltaje más altas, se usan en casi todos los teléfonos celulares y en otros equipos electrónicos portátiles.

Diseñé un par de "tants" de 1000 µF en un producto hace un par de años, y recientemente el fabricante contratado nos contactó diciendo que el tiempo de entrega de las piezas se había extendido a 16 semanas y me preguntó si podía encontrar un sustituto. Como resultado de este ejercicio, en mi último diseño volví a los condensadores electrolíticos de aluminio de montaje en superficie, aunque hubo una penalización de espacio significativa.

Eche un vistazo a lo que realmente hay en un circuito integrado, incluido su embalaje. El silicio en sí es abundante (costoso de refinar a alta pureza y buena estructura cristalina, pero aún así abundante), pero ¿qué pasa con los elementos de dopaje utilizados para hacer semiconductores P y N? ¿Qué pasa con los LED? Por lo general, estos no son silicio y a menudo contienen galio, por ejemplo. ¿Qué pasa con la cerámica especial utilizada en semiconductores que necesitan tener propiedades térmicas muy parecidas al silicio? Observe de qué está hecha la cerámica varosa de los condensadores de cerámica.

La electrónica tiene mucho más material que el cobre y el silicio.

No necesariamente están hablando de los chips de silicio. El tantalio entra en los condensadores, el estaño en la soldadura, el litio en las baterías. El neodimio entra en pequeños imanes súper fuertes que sostienen la cubierta de su iPad o el adaptador de pared en su MacBook.

En muchos casos, estos diversos componentes ya estaban hechos de elementos más abundantes en el pasado, pero los avances en la ciencia de los materiales permitieron grandes mejoras que en algunos productos (relativamente caros) fueron y valen el costo adicional del material. Compare un teléfono celular "brick" de Motorola de la década de 1980 con un iPhone y no solo los chips mejoraron drásticamente. Los imanes pueden estar hechos de hierro, las baterías pueden estar hechas de plomo, los condensadores pueden estar hechos de aluminio. Es solo que esos dispositivos son dramáticamente más grandes, pesados ​​o de alguna otra manera peores que sus contrapartes más modernas.

Últimamente se ha cuestionado si estos valen el costo humano, las vidas perdidas por la guerra y la esclavitud alrededor de las minas congoleñas que generan tántalo, estaño y tungsteno. Otra pregunta es qué sucederá cuando China, que obtiene la mayor parte del suministro mundial de elementos de tierras raras como el neodimio, reduzca las exportaciones para alimentar su propia capacidad de fabricación. (Respuesta: Molycorp está reabriendo una antigua mina en California).

Es un argumento comparable a si conducir un automóvil propulsado por petróleo es inmoral cuando la gente lucha en guerras por el petróleo. El problema no es tanto que el petróleo sea raro hoy en día, sino que su distribución agrupada en el planeta hace que concentrar la riqueza al monopolizar la producción sea más fácil que si se distribuyera de manera más uniforme. Por supuesto, podemos imaginar que los suministros se agoten en unas pocas décadas, pero eso es un poco más allá de los 5-15 años que la mayoría de las personas conservarán su próximo automóvil. Puede alimentar un automóvil con una máquina de vapor a carbón, o una planta eléctrica a carbón que carga baterías, o paneles solares que cargan baterías, pero la gasolina tiene la mejor combinación de características y precio en este momento en la medida en que la mayoría de los clientes que pagan preocupado. Queda por ver si la mayor parte de la humanidad renunciará a la gasolina para los autos eléctricos antes de que cuesten menos.

No es necesariamente el caso de que las cosas mejorarán inexorablemente. Las baterías pueden fabricarse con otros elementos que son mucho más abundantes, como el hierro y el sodio, pero esas baterías pueden no tener la energía por peso de una batería de litio. Es posible que en unos pocos siglos, después de extraer el petróleo, el carbón, el litio, etc., las personas conduzcan automóviles que tengan un alcance mucho menor que el actual, pero que se recarguen lo suficientemente rápido como para que no importe demasiado. Por otro lado, puede aparecer algo mucho mejor, o quién sabe, tal vez todos estaremos haciendo videoconferencias para entonces.

Hay científicos trabajando en estos problemas, pero la ciencia de los materiales es un campo lento. Es muy difícil, si no imposible, modelar las propiedades macroscópicas de un nuevo material en una computadora. El progreso esencialmente viene a través de prueba y error educados. Incluso una vez que se comprende bastante bien un nuevo material, el modelo teórico y las pruebas experimentales pueden no alinearse perfectamente. Intentar inventar nuevos materiales de una lista de deseos de propiedades deseadas puede llevar décadas.

Bueno, hay mucho alboroto por todo esto. De hecho, necesita muy pocos materiales de tierras raras en la electrónica de consumo (micro) moderna. De hecho, algunos dispositivos electrónicos dependen en gran medida de ellos (como algunas veces los láseres y los LED), pero apenas consumen una cantidad significativa de producción mundial. Además, el uso notable es para imanes permanentes.

Los principales usuarios de tierras raras son tipos especiales de acero y otros materiales utilizados en áreas espaciales / militares / nucleares (y obviamente nadie revelará cuánto se usa allí por país).

Además, eche un vistazo aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

¿Por qué los metales de tierras raras son importantes para la electrónica?

Debido a que la misma propiedad llamada "tamaño iónico" hace que estos metales:

• extraordinariamente sabio eléctricamente
• y geológicamente raro (lo que les dio el nombre)

Algún valor especial de relación de tamaño iónico con masa atómica para cada uno de estos elementos hará que sea difícil concentrarse en la naturaleza y separarse químicamente. La misma proporción hace que propiedades como ferroelectricidad, ferromagnetismo, alta constante dieléctrica de óxidos, etc. sean superiores a otros elementos menos raros con diferente tamaño iónico.

El alto costo de los elementos raros tiene una causa natural. Nota al margen: Los elementos más raros y más caros en electrónica son "unobtanium" y "unaffordium".