Nitruri di ferro: potenti magneti senza gli elementi delle terre rare

Sin dalla loro apparizione relativamente recente sulla scena commerciale, i magneti delle terre rare hanno avuto un grande successo nell'immaginazione del pubblico. La quantità di energia magnetica racchiusa in questi piccoli oggetti lucenti ha portato a progressi tecnologici che non erano possibili prima della loro comparsa, come i motori a vibrazione nei telefoni cellulari o i minuscoli altoparlanti negli auricolari e negli apparecchi acustici. Per non parlare dei motori dei veicoli elettrici e dei generatori delle turbine eoliche, oltre agli innumerevoli usi medici, militari e scientifici.

Questi progressi, però, hanno un costo, poiché gli elementi delle terre rare necessari per realizzarli stanno diventando sempre più difficili da reperire. Non è che gli elementi delle terre rare come il neodimio siano così rari dal punto di vista geologico; piuttosto, i depositi sono distribuiti in modo non uniforme, rendendo facile per i metalli diventare pedine in una partita a scacchi geopolitica senza fine. Inoltre, estrarli dai minerali è un compito complicato in un’epoca di crescente sensibilità alle considerazioni ambientali.

Fortunatamente, esiste più di un modo per realizzare un magnete e presto potrebbe essere possibile costruire magneti permanenti potenti quanto quelli al neodimio, ma senza metalli delle terre rare. In effetti, l’unica cosa necessaria per produrli è ferro e azoto, oltre alla comprensione della struttura cristallina e ad un po’ di ingegnosità ingegneristica.

Per cominciare, cos’è un magnete permanente? Come molte semplici domande sulla natura, non esiste una risposta facile che non richieda una discreta agitazione della mano. Anche i fisici alla fine arrivano al punto in cui la loro risposta si riduce a: “Non lo sappiamo”. Ma ciò non significa che il magnetismo sia un mistero completo, e le cose che sappiamo al riguardo sono piuttosto semplici e in realtà aiutano a capire come funzionano sia i magneti delle terre rare che le loro alternative.

Abbiamo già esplorato le basi del magnetismo, ma per riassumere, qualsiasi particella carica, come un elettrone, ha quello che è noto come momento magnetico intrinseco, nel senso che si comportano come piccoli magneti. Negli atomi con gusci elettronici pieni, questi momenti magnetici si annullano a vicenda perché ciascuna coppia di elettroni ha momenti che puntano in direzioni opposte. Ma negli atomi con elettroni spaiati nei loro gusci esterni, non c'è nulla che possa cancellare i momenti magnetici, il che significa che questi elementi sono magnetici. Questi elementi tendono a provenire da due aree specifiche della tavola periodica: i metalli del blocco D come cobalto, nichel e ferro, e gli attinidi lantanidi del blocco F, che includono i metalli delle terre rare come samario, neodimio e praseodimio.

Tuttavia, in un magnete c'è di più oltre alla semplice provenienza dei suoi ingredienti sulla tavola periodica. Il magnetismo consiste nell’allineare tutti quei momenti magnetici intrinseci e agire nella stessa direzione. Proprio come gli elettroni in un atomo di un elemento magnetico non devono combattere tra loro, anche gli atomi devono sistemarsi in modo tale che i loro momenti magnetici puntino tutti nella stessa direzione. Questo si dice che abbia un'elevata anisotropia magnetica ed è una delle caratteristiche dei magneti potenti. I metalli delle terre rare come il neodimio hanno un'anisotropia magnetica molto elevata, che contribuisce alla forza dei magneti delle terre rare.

Ma i metalli delle terre rare da soli producono magneti piuttosto scadenti, almeno a livello pratico. Ciò è dovuto al loro punto di Curie relativamente basso, che è la temperatura al di sopra della quale una sostanza perde le sue proprietà magnetiche. A temperatura ambiente, una barra di neodimio puro non sarebbe affatto un magnete. In effetti, dovrebbe essere raffreddato a una temperatura inferiore a 20 K per avere proprietà magnetiche. Per aggirare questo problema, i metalli delle terre rare vengono mescolati con altri elementi ferromagnetici per formare leghe che hanno una forte coercività magnetica pur avendo un discreto punto di Curie. La lega magnetica più comune delle terre rare, una combinazione di ferro, neodimio e boro, ha una temperatura di Curie compresa tra 300 e 400°C, a seconda dell'esatto mix di elementi.

Per approfondire la tana del coniglio del magnetismo è necessario familiarizzarsi con i concetti della cristallografia. Questo è un argomento dannatamente complicato, con nomenclatura e terminologia che creano confusione perché sembra uguale alla notazione standard delle formule chimiche, ma chiaramente non lo è. Una piena comprensione di come l'aggiunta di neodimio al ferro crea un potente magnete permanente e di come sia possibile creare un potente magnete senza terre rare, richiederebbe un'immersione nella cristallografia più profonda di quella per cui abbiamo spazio qui. Fortunatamente, le nozioni di base saranno sufficienti, insieme a un piccolo cenno della mano. E qui il merito va al mio amico Zachary Tong, che è intervenuto e mi ha aiutato a capire questi argomenti difficili.