Perché i metalli delle terre rare sono importanti per l'elettronica?

Ho sentito molto dai media su quanto siano importanti i metalli delle terre rare (dal punto di vista economico della Cina che limita le loro esportazioni), ma cosa fanno effettivamente alcuni di essi che li rende così essenziali che non si possono fare con più elementi comuni come silicio, oro, rame, alluminio, germanio, ecc? Sembra che tutti i mattoni di un computer digitale come i transistor possano essere realizzati senza di loro, quindi perché tutte le storie?

Ho scavato un po 'per gli articoli, ma tutti quelli sono scritti per il grande pubblico e nominano solo quali dispositivi richiedono terre rare piuttosto che componenti reali.

Sebbene il tantalio non sia una delle terre rare - è uno dei "metalli di transizione", come l'oro - la scarsità di tantalio (1 o 2 ppm della crosta terrestre) e l'uso primario nell'elettronica (condensatori al tantalio) si adattano al ambito di questa domanda.

La recente legislazione negli Stati Uniti (luglio 2010) impone alle società di divulgare se utilizzano prodotti con tantalio ottenuto dalla Repubblica Democratica del Congo (RDC). Di conseguenza, i prezzi sono aumentati drasticamente mentre gli altri produttori tornano lentamente online. Una miniera in Australia rappresenta 1/3 della potenziale produzione mondiale globale.

(Nota: la scala verticale del grafico non inizia da zero, dà un aspetto leggermente distorto. Il grafico a dimensioni intere è qui )

Poiché i condensatori elettrolitici al tantalio possono essere molto più piccoli dei condensatori elettrolitici in alluminio della stessa capacità e hanno valori di tensione più elevati, vengono utilizzati in quasi tutti i telefoni cellulari e in altre apparecchiature elettroniche portatili.

Ho progettato un paio di "tende" da 1000 µF in un prodotto un paio di anni fa, e recentemente il produttore del contratto ci ha contattato dicendo che il tempo di consegna delle parti si era allungato a 16 settimane e mi chiedeva se potevo trovare un sostituto. Come risultato di questo esercizio, nel mio ultimo progetto sono tornato ai condensatori elettrolitici in alluminio a montaggio superficiale, anche se c'era una significativa penalità di spazio.

Dai un'occhiata a cosa c'è veramente in un circuito integrato, incluso il suo packaging. Il silicio stesso è abbondante (costoso da raffinare per l'elevata purezza e la buona struttura cristallina, ma comunque abbondante), ma che dire degli elementi dopanti usati per produrre semiconduttori P e N? E i LED? Questi di solito non sono silicio e spesso contengono gallio, per esempio. Che dire delle ceramiche speciali utilizzate nei semiconduttori che devono avere proprietà termiche strettamente correlate al silicio? Dai un'occhiata a cosa è fatta la variegata ceramica dei condensatori ceramici.

L'elettronica contiene molto più materiale del rame e del silicio.

Non sono necessariamente i chip di silicio di cui stanno parlando. Il tantalio entra nei condensatori, lo stagno nella saldatura, il litio nelle batterie. Il neodimio entra in piccoli magneti super potenti che tengono la cover sul tuo iPad o l'adattatore a parete sul tuo MacBook.

Questi vari componenti sono stati in molti casi già realizzati con elementi più abbondanti in passato, ma le scoperte della scienza dei materiali hanno consentito grandi miglioramenti che in alcuni prodotti (relativamente costosi) valgono e valgono il costo del materiale aggiuntivo. Confronta un cellulare Motorola "brick" degli anni '80 con un iPhone e non sono solo i chip che sono migliorati notevolmente. I magneti possono essere fatti di ferro, le batterie possono essere fatte di piombo, i condensatori possono essere fatti di alluminio. È solo che quei dispositivi sono notevolmente più grandi, più pesanti o in qualche modo peggiori delle loro controparti più moderne.

Ultimamente si è chiesto se valgono il costo umano, le vite perse a causa della guerra e della schiavitù nelle miniere congolesi che producono tantalio, stagno e tungsteno. Un'altra domanda è che cosa accadrà in quanto la Cina, che fornisce la maggior parte della fornitura mondiale di elementi di terre rare come il neodimio, riduce le esportazioni per alimentare la propria capacità produttiva. (Risposta: Molycorp sta riaprendo una vecchia miniera in California.)

È un argomento paragonabile al fatto che guidare un'auto alimentata a petrolio sia immorale quando le persone combattono guerre per il petrolio. Il problema non è tanto che il petrolio oggi è raro in quanto la sua distribuzione raggruppata sul pianeta rende la concentrazione della ricchezza monopolizzando la produzione più facile che se fosse distribuita in modo più uniforme. Ovviamente possiamo immaginare che le scorte si esauriscano entro pochi decenni, ma è un po 'più lontano rispetto ai 5-15 anni che la maggior parte delle persone manterrà la loro prossima auto. Puoi alimentare un'auto con un motore a vapore a carbone o una centrale elettrica a carbone che carica batterie o pannelli solari che caricano batterie, ma la benzina ha il miglior mix di funzionalità e prezzo al momento per quanto la maggior parte dei clienti paganti è ha riguardato. Resta da vedere se la maggior parte dell'umanità rinuncia alla benzina per le auto elettriche prima che costino meno.

Non è necessariamente il caso che le cose inesorabilmente miglioreranno. Le batterie possono essere prodotte da altri elementi che sono ordini di grandezza più abbondanti, come ferro e sodio, ma quelle batterie potrebbero non avere mai l'energia per peso di una batteria al litio. È possibile che in pochi secoli, dopo aver estratto petrolio, carbone, litio, ecc., Le persone guideranno auto che hanno un'autonomia molto inferiore a quella di oggi, ma che si ricaricano abbastanza rapidamente da non importare troppo. D'altra parte potrebbe succedere qualcosa di molto meglio, o chissà, forse saremo tutti in videoconferenza da allora.

Ci sono scienziati che lavorano su questi problemi, ma la scienza dei materiali è un campo lento. È molto difficile se non impossibile modellare le proprietà macroscopiche di un nuovo materiale in un computer. Il progresso viene essenzialmente attraverso prove ed errori colti. Anche quando un nuovo materiale è abbastanza ben compreso, il modello teorico e i test sperimentali potrebbero non essere perfettamente allineati. Cercare di inventare nuovi materiali da una lista dei desideri delle proprietà desiderate può richiedere decenni.

Bene, c'è molto clamore commerciale attorno a tutto questo. In effetti, nella moderna elettronica di consumo (micro) elettronica sono necessari pochissimi materiali di terre rare. Alcuni componenti elettronici dipendono fortemente da essi (come alcune volte di laser e LED), ma difficilmente consumano una quantità significativa di produzione mondiale. Inoltre, l'uso notevole è per i magneti permanenti.

I principali utenti di terre rare sono tipi speciali di acciaio e altri materiali utilizzati nelle aree spaziali / militari / nucleari (e ovviamente nessuno rivelerebbe quanto viene utilizzato lì per paese).

Inoltre, dai un'occhiata qui: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Perché i metalli delle terre rare sono importanti per l'elettronica?

Perché la stessa proprietà denominata "dimensione ionica" rende questi metalli entrambi:

• straordinariamente elettricamente saggio
• e geologicamente raro (che ha dato loro il nome)

Un valore speciale del rapporto tra dimensione ionica e massa atomica per ciascuno di questi elementi renderà difficile concentrarsi in natura e separarsi chimicamente. Lo stesso rapporto fa sì che proprietà come ferroelettricità, ferromagnetismo, elevata costante dielettrica di ossidi ecc. Siano superiori ad altri elementi meno rari con dimensioni ioniche diverse.

L'alto costo di elementi rari ha una causa naturale. Nota a margine: gli elementi più rari e costosi in elettronica sono "unobtanium" e "unaffordium".