Fortes campos magnéticos de micro-ondas para plasmas mais eficientes

Gases quentes compostos de íons metálicos e elétrons, chamados plasmas, são amplamente utilizados em muitos processos de fabricação, síntese química e extração de metais de minérios e soldagem. Um grupo de pesquisa colaborativo da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tecnologia de Toyohashi inventou um método novo e eficiente para criar plasmas metálicos a partir de metais sólidos sob um forte campo magnético em um ressonador de micro-ondas. Eles relatam sua inovação na revista AIP Advances.

Nos métodos mais convencionais de fabricação de plasmas, um forte campo elétrico é aplicado a gases ou líquidos. Isso pode exigir enormes quantidades de energia. Mais recentemente, a radiação de micro-ondas também foi aproveitada para gerar plasmas, pois converte átomos em uma forma que pode conduzir com mais eficácia os processos químicos desejados, entre outras vantagens. Os plasmas gerados por microondas agora estão sendo usados ​​em processos comerciais, incluindo fabricação de semicondutores, deposição de diamantes e liberação de metais de seus minérios.

Até agora, no entanto, isso envolveu geradores de micro-ondas multimodo, que geram uma distribuição caótica de micro-ondas. Um avanço importante alcançado pela equipe é a aplicação de um gerador de micro-ondas de modo único para produzir seus plasmas de metal. Isso cria microondas mais controladas e altamente focadas.

"Esperamos que nosso processo possa melhorar significativamente a eficiência das técnicas de plasma em muitas aplicações e aumentar a lucratividade na área comercial", diz o químico Jun Fukushima, que desenvolveu a técnica com o engenheiro eletrônico Satoshi Fujii.

Um desafio significativo que os pesquisadores encontraram foi que seus plasmas iniciais não podiam ser estabilizados por mais de dez minutos. Eles, portanto, redesenharam o equipamento, alcançando uma estabilidade muito mais longa. O sistema final e mais inovador contém um tubo duplo de quartzo, com o material sólido que é convertido em plasma dentro do tubo interno.

Os pesquisadores esperam que sua tecnologia seja especialmente útil para extrair metais de terras raras puros de seus minérios. Esses metais, como cério, lantânio e neodímio, estão se tornando amplamente utilizados em aplicações de larga escala, inclusive na fabricação de baterias recarregáveis ​​para veículos elétricos. A equipe da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tecnologia de Toyohashi já demonstrou o uso de um plasma de cálcio e magnésio para liberar átomos de escândio e vanádio de seus minérios de óxido.

"Este é um método novo e não convencional de utilização de plasmas, que consideramos crucial para reduzir os requisitos de energia para futuras aplicações de ciência de materiais", disse Fukushima.

Título: Geração de plasma de íons metálicos sob forte campo magnético em ressonador de micro-ondas

Autores: Satoshi Fujii e Jun Fukushima

Revista: AIP Advances

DOI: 10.1063/5.0134071