Fuertes campos magnéticos de microondas para plasmas más eficientes

Los gases calientes compuestos de iones metálicos y electrones, llamados plasmas, se utilizan ampliamente en muchos procesos de fabricación, síntesis química y extracción de metales de minerales y soldadura. Un grupo de investigación colaborativo de la Universidad de Tohoku y la Universidad Tecnológica de Toyohashi ha inventado un método nuevo y eficiente para crear plasmas metálicos a partir de metales sólidos bajo un fuerte campo magnético en un resonador de microondas. Informan sobre su innovación en la revista AIP Advances.

En los métodos más convencionales para fabricar plasmas, se aplica un fuerte campo eléctrico a gases o líquidos. Esto puede requerir enormes cantidades de energía. Más recientemente, la radiación de microondas también se ha aprovechado para generar plasmas, ya que convierte los átomos en una forma que puede impulsar con mayor eficacia los procesos químicos deseados, entre otras ventajas. Los plasmas generados por microondas ahora se utilizan en procesos comerciales, incluida la fabricación de semiconductores, la deposición de diamantes y la liberación de metales de sus minerales.

Sin embargo, hasta ahora esto ha implicado generadores de microondas multimodo, que generan una distribución caótica de microondas. Un avance clave logrado por el equipo es aplicar un generador de microondas monomodo para producir sus plasmas metálicos. Esto crea microondas más controladas y altamente enfocadas.

"Esperamos que nuestro proceso pueda mejorar significativamente la eficiencia de las técnicas de plasma en muchas aplicaciones y mejorar la rentabilidad en el ámbito comercial", dice el químico Jun Fukushima, quien desarrolló la técnica con el ingeniero electrónico Satoshi Fujii.

Un desafío importante al que se enfrentaron los investigadores fue que sus plasmas iniciales no podían estabilizarse durante más de diez minutos. Por lo tanto, rediseñaron el equipo y finalmente lograron una estabilidad mucho más prolongada. El sistema final y más innovador contiene un tubo de cuarzo doble, con el material sólido que se convierte en plasma sentado dentro del tubo interior.

Los investigadores esperan que su tecnología sea especialmente útil para extraer metales puros de tierras raras de sus minerales. Estos metales, como el cerio, el lantano y el neodimio, se están utilizando ampliamente en aplicaciones a gran escala, incluida la fabricación de baterías recargables para vehículos eléctricos. El equipo de la Universidad de Tohoku y la Universidad Tecnológica de Toyohashi ya ha demostrado el uso de un plasma de calcio y magnesio para liberar átomos de escandio y vanadio de sus minerales de óxido.

"Este es un método nuevo y no convencional para utilizar plasmas, que consideramos crucial para reducir los requisitos de energía para futuras aplicaciones de ciencia de materiales", dice Fukushima.

Título: Generación de plasma de iones metálicos bajo un fuerte campo magnético en un resonador de microondas

Autores: Satoshi Fujii y Jun Fukushima

Revista: Avances AIP

DOI: 10.1063/5.0134071