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Indio, itrio… ¿Para qué se utilizan los metales raros en nuestros smartphones?

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Se llaman tantalio, hafnio, praseodimio o terbio: estos metales exóticos de creciente importancia estratégica son esenciales en componentes de nuestros teléfonos como pantallas táctiles, micrófonos o transistores. Pero, ¿para qué sirven realmente?

Óxidos de tierras raras. Desde arriba y en sentido horario: praseodimio (negro), cerio (amarillo), lantano (crema), neodimio (gris), samario (amarillo), gadolinio (blanco). Crédito: Wikimedia Commons.

Nuestras cámaras digitales contienen tesoros. La electrónica avanzada depende de un montón de metales muy diferentes del cobre, aluminio o acero que encontramos en la vida cotidiana. Esto plantea muchas cuestiones medioambientales y geopolíticas, desde las minas de cobalto en la República Democrática del Congo hasta la producción china de tierras raras, cuya exportación se ve amenazada por Beijing en su guerra comercial con los Estados Unidos.

Los fabricantes de teléfonos inteligentes no son muy habladores sobre los metales raros utilizados en sus productos. No obstante, hemos intentado recopilar información sobre el uso de estos elementos exóticos en la electrónica cotidiana.

¿Qué son los «metales raros»?

Metales raros» es un término un tanto general que cubre la mayoría de los átomos en medio de la tabla periódica de elementos. Son varias docenas de materiales elementales. Algunos nombres, como cobalto azul o tungsteno muy pesado, nos son relativamente familiares. Pero también hay cosas más sorprendentes, como el galio, el metal que se derrite en la mano a la misma temperatura que el chocolate (30°C). Mencionemos entre otros nombres: tántalo, niobio, indio, hafnio o paladio.

Los metales raros más conocidos son un grupo de 17 elementos llamados «tierras raras». Estos fueron descubiertos por primera vez por el químico sueco Carl Axel Arrhenius en 1787 en una roca en el pueblo de Ytterby, en una isla cerca de Estocolmo. Representan un grupo de metales con propiedades bastante similares entre sí y a veces se pueden utilizar indistintamente en aleaciones.

Estos son el escandio, el itrio (llamado así por el pueblo de Ytterby) y los 15 átomos de la familia de los «lantánidos»: lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio (de «Ytterby» quitando dos letras), disprosio, holmio, erbio («Ytterby» quitando tres letras), thulium, ytterbium (¿lo tienes?) y lutecio . Entre ellos, el prometio es único porque es radioactivo y extremadamente raro en su estado natural, con sólo 500 gramos dispersos por toda la corteza terrestre; por lo tanto, sus usos son muy limitados y especiales.

Contrariamente a lo que su nombre sugiere, las tierras raras no son «raras» en la Tierra. El itrio es 400 veces más abundante en la corteza terrestre que la plata. Pero están muy dispersos y no se presentan en forma de minerales fácilmente explotables. Pueden ser extraídos en minas de cobre, zinc o uranio, pero el proceso es muy costoso y altamente contaminante. Por ello, China es prácticamente el único país que ha aceptado el reto, con un monopolio de casi el 100% de la transformación de tierras raras a partir de minerales de otros metales.

Crédito: Interés compuesto

¿Dónde puede encontrarlos en nuestros smartphones?

Pantallas y LEDs

Las primeras pantallas táctiles eran resistivas, es decir, había que presionarlas físicamente con el dedo o con un lápiz táctil. Nuestros modernos smartphones cuentan con pantallas capacitivas, con un campo electrostático que reconoce las molestias causadas por el simple contacto con la piel. Para que esto funcione, la pantalla debe estar recubierta con una película que conduzca la electricidad a la vez que sea transparente. Esta película está hecha de óxido de indio-estaño (abreviado como «ITO»), el indio está hecho de mineral de zinc.

Un LED está hecho esquemáticamente de un chip semiconductor, montado en un marco metálico y encapsulado en una pieza de plástico transparente. El material semiconductor del chip es generalmente un compuesto de galio (extraído del mineral de aluminio) y al menos otro átomo, que determinará el color «base» del LED. Con arsénico combinado con fósforo se obtiene una luz naranja-roja, mientras que con nitrógeno o indio, el LED aparece azul.

Pero para hacer colores realmente hermosos con un LED, hay que recubrir el chip con polvos de fósforo. Y hay más que sólo fósforo. Los colores se elaboran con diferentes cócteles de tierras raras. El más común, el granate de aluminio de itrio dopado con cerio («YAG»), se utiliza para hacer un color amarillo que se puede agregar a un LED azul (indio) para hacerlo blanco. Otros fósforos de itrio o de europio pueden utilizarse para hacer rojo, mientras que el europio también puede utilizarse para el azul y el terbio para el verde. También se puede encontrar lantano y gadolinio.

Sonido y vibración

¿Qué tienen en común un micrófono, un altavoz y las vibraciones de un teléfono? Todos estos elementos necesitan imanes para funcionar. Ellos son los que, gracias a su fuerza de atracción, producen las vibraciones que pueden hacer que todo el dispositivo tiemble – o producir oscilaciones más finas y sutiles que pueden traducirse en sonido.

Pero no es cuestión de usar los mismos imanes que en su refrigerador. Necesitamos imanes pequeños y potentes, y sobre todo imanes que no se debiliten con el tiempo. La solución más probada en esta área es una aleación de neodimio y praseodimio, también utilizada en motores eléctricos y turbinas eólicas. Esta mezcla también puede incluir algo de terbio o disprosio. El tungsteno, que es dos veces más pesado que el acero, se utiliza como un peso para amplificar las vibraciones.

Baterías

Las baterías omnipresentes en nuestros dispositivos son baterías de iones de litio. Por supuesto, está el litio, el metal más ligero del mundo extraído de Australia y los desiertos de sal de Sudamérica. Pero también suele necesitar cobalto, en forma de cobalto y dióxido de litio (LiCoO2), para formar el cátodo de la batería.

Circuito integrado

Un circuito integrado es una placa de material semiconductor (generalmente silicio, a veces germanio) con transistores conectados a su superficie, pequeños componentes de tres patas que también contienen material semiconductor. Esto también se llama un chip. Para que el silicio sea conductor eléctrico sólo en algunos lugares, debe ser «dopado» añadiendo impurezas: fósforo, boro, arsénico, antimonio, pero también indio o galio. En los transistores que tienen que funcionar a frecuencias muy altas, como los utilizados para Wi-Fi, Bluetooth o 4G, el silicio es sustituido por arseniuro de galio o germanio-sílico.

Con el lanzamiento de su generación de 45 nm en 2007, Intel comenzó a utilizar hafnio para aislar las puertas de sus transistores. Estos últimos están conectados entre sí en los circuitos impresos por medio de películas de titanio y tungsteno. La miniaturización de los chips empujaría a los fabricantes de semiconductores a sustituir el cobre, cada vez menos práctico a nanoescala, por cobalto o rutenio.

Tarjeta de circuito impreso

Los circuitos impresos son placas de resina epoxi, a menudo de color verde, en las que los componentes se sueldan utilizando pistas de cobre. El oro y la plata no siempre se clasifican como «metales raros», pero hemos elegido mencionarlos por su importancia en la electrónica. El oro es un excelente conductor eléctrico y, por lo tanto, se encuentra en los circuitos impresos, en particular en los cables de conexión entre el silicio y las clavijas de los distintos componentes. El dinero, por otro lado, está presente en la mayoría de las resistencias. Cantidades muy pequeñas de paladio, un metal de la familia del platino, también se encuentran en los circuitos impresos.

Finalmente, uno de los componentes frecuentes que se sueldan a los circuitos impresos es el condensador, un pequeño tanque de energía eléctrica. Los condensadores estándar usan aluminio, pero son demasiado grandes para caber en un smartphone. El tántalo se utiliza para producir tamaños muy pequeños.

Todos estos metales con nombres extraños son por lo tanto vitales para nuestros smartphones. Pero también se utilizan para muchas aplicaciones avanzadas en química y medicina, así como para la mayoría de las energías limpias. Este es un punto culminante cuando se sabe que estos recursos son «sucios» para explotar, ecológica y políticamente. De ahí su reto, que sin duda crecerá en el futuro.

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