Dalla loro composizione all’estrazione dei materiali che li rendono possibili

I microchip, anche conosciuti come circuiti integrati, rappresentano una delle invenzioni più rivoluzionarie del XX secolo, fungendo da fondamento per l’intera era digitale in cui viviamo. Questi minuscoli dispositivi, che possono contenere miliardi di transistor in uno spazio più piccolo di un’unghia, sono il risultato di decenni di innovazione tecnologica e di processi produttivi estremamente sofisticati.

La base di ogni microchip è il silicio, un elemento chimico che rappresenta il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre dopo l’ossigeno. Il silicio viene estratto principalmente da depositi di quarzo, con le maggiori riserve situate in Cina, Russia e Stati Uniti. Tuttavia, per essere utilizzato nei microchip, il silicio deve essere purificato fino a raggiungere un livello di purezza del 99,9999999%, un processo complesso e costoso che richiede tecnologie all’avanguardia.

Il processo di fabbricazione inizia con la creazione di un “wafer” di silicio monocristallino, un disco sottile e perfettamente levigato che funge da substrato per i circuiti. Questo wafer viene prodotto attraverso il metodo Czochralski, nel quale il silicio viene fuso e fatto cristallizzare lentamente attorno a un seme cristallino, creando un lingotto cilindrico che viene successivamente tagliato in wafer sottili.

La fase successiva coinvolge il doping, un processo in cui vengono aggiunte piccole quantità di altri elementi, come il boro o il fosforo, per modificare le proprietà elettriche del silicio. Questi “dopanti” sono cruciali per la creazione dei transistor, i componenti fondamentali dei microchip che fungono da interruttori elettronici.

Oltre al silicio, i microchip moderni richiedono numerosi altri materiali critici. Il rame viene utilizzato per le interconnessioni elettriche, mentre metalli preziosi come l’oro e l’argento sono necessari per i contatti elettrici. Le terre rare, un gruppo di 17 elementi chimici estratti principalmente in Cina, sono essenziali per vari componenti elettronici. In particolare, elementi come il neodimio, il disprosio e il terbio sono fondamentali per le proprietà magnetiche e ottiche dei dispositivi.

La fabbricazione dei microchip avviene in camere ultra pulite, dove l’aria viene filtrata continuamente per rimuovere anche le più piccole particelle di polvere. Il processo di litografia, che utilizza la luce ultravioletta estrema per “stampare” i circuiti sul wafer di silicio, richiede ottiche di precisione realizzate con materiali speciali come il fluoruro di calcio.

Un aspetto critico della produzione di microchip è la dipendenza da materiali rari e geograficamente concentrati. Per esempio, il coltan, necessario per la produzione di condensatori al tantalio, viene estratto principalmente nella Repubblica Democratica del Congo, mentre il litio, utilizzato nelle batterie dei dispositivi elettronici, proviene principalmente da Cile, Argentina e Australia.

La sostenibilità dell’approvvigionamento di questi materiali è diventata una preoccupazione crescente per l’industria dei semiconduttori. Le tensioni geopolitiche, le problematiche ambientali legate all’estrazione e la concentrazione delle risorse in pochi paesi hanno spinto molte aziende a cercare alternative sostenibili e a sviluppare tecnologie di riciclaggio più efficienti.

Cosa sono il disprosio e il terbio?

Il disprosio (Dy) e il terbio (Tb) sono due elementi appartenenti al gruppo delle terre rare, una famiglia di metalli che, nonostante il nome, non sono così rari in natura ma sono difficili da estrarre e separare. Questi due elementi, scoperti rispettivamente nel 1886 e nel 1843, hanno acquisito un’importanza crescente negli ultimi decenni grazie alle loro peculiari proprietà chimiche e fisiche che li rendono indispensabili in numerose applicazioni tecnologiche avanzate.

Il disprosio, con numero atomico 66, si distingue per le sue notevoli proprietà magnetiche e la capacità di resistere alla demagnetizzazione a temperature elevate. Questa caratteristica lo rende un componente fondamentale nella produzione di magneti permanenti, utilizzati in particolare nelle turbine eoliche e nei motori elettrici dei veicoli ibridi ed elettrici. La sua importanza nel settore delle energie rinnovabili è tale che viene considerato un elemento critico per la transizione energetica globale.

Il terbio, con numero atomico 65, condivide alcune proprietà con il disprosio ma trova applicazioni specifiche differenti. È ampiamente utilizzato nella produzione di dispositivi di visualizzazione, come schermi LCD e LED, dove contribuisce alla generazione del colore verde. Inoltre, il terbio è un componente essenziale nei sistemi di illuminazione ad alta efficienza energetica e nelle celle a combustibile.

L’estrazione e la lavorazione di questi elementi presentano sfide significative. La maggior parte delle riserve mondiali si trova come detto in Cina, che controlla circa l’80% della produzione globale di terre rare. Questa concentrazione geografica ha sollevato preoccupazioni sulla sicurezza dell’approvvigionamento e ha spinto molti paesi a cercare fonti alternative e a sviluppare tecnologie di riciclaggio più efficienti.

Le applicazioni industriali di disprosio e terbio continuano a espandersi. Nel settore medico, questi elementi vengono utilizzati in dispositivi diagnostici avanzati e in alcune terapie specializzate. Nel campo della ricerca scientifica, sono fondamentali per lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie quantum computing.

La sostenibilità ambientale dell’estrazione e della lavorazione di questi elementi è una questione cruciale. I processi tradizionali possono avere un impatto ambientale significativo, con la produzione di rifiuti tossici e il consumo elevato di energia. Per questo motivo, la ricerca si sta concentrando sullo sviluppo di metodi di estrazione più ecologici e su tecnologie di riciclaggio innovative.

Il mercato globale di disprosio e terbio è in costante crescita, guidato dalla domanda crescente di tecnologie verdi e dispositivi elettronici avanzati. Le previsioni indicano che questa tendenza continuerà nei prossimi anni, rendendo ancora più strategico il controllo delle fonti di approvvigionamento.

Produzione globale di terre rare

La produzione globale di terre rare rappresenta uno dei temi più strategici e controversi dell’economia mondiale contemporanea. Questi 17 elementi chimici, appartenenti alla famiglia dei lantanidi, sono diventati componenti essenziali per numerose tecnologie avanzate, dalla produzione di smartphone ai veicoli elettrici, dalle turbine eoliche ai sistemi di difesa militare.

La Cina domina incontrastata il mercato mondiale delle terre rare, controllando appunto la maggior parte della produzione globale. Questa supremazia non è casuale, ma il risultato di decenni di investimenti strategici e di una politica industriale mirata. Le principali miniere cinesi si trovano nella regione della Mongolia Interna, dove il giacimento di Bayan Obo rappresenta il più grande deposito mondiale di terre rare. La posizione dominante della Cina ha creato preoccupazioni significative tra i paesi occidentali, specialmente dopo le restrizioni all’esportazione imposte da Pechino nel 2010.

Gli Stati Uniti, un tempo leader nella produzione di terre rare attraverso la miniera di Mountain Pass in California, stanno cercando di riconquistare un ruolo significativo nel settore. La miniera, riaperta nel 2012 dopo anni di inattività, rappresenta oggi il principale progetto occidentale di estrazione di terre rare. Tuttavia, la capacità produttiva americana resta ancora molto inferiore a quella cinese.

L’Australia sta emergendo come un importante player nel settore, con progetti significativi come la miniera di Mount Weld. Le aziende australiane stanno sviluppando partnership strategiche con aziende giapponesi ed europee per creare filiere di approvvigionamento alternative a quella cinese. Il paese sta investendo massicciamente nella ricerca di nuovi giacimenti e nello sviluppo di tecnologie di estrazione più efficienti.

Il processo di estrazione e lavorazione delle terre rare presenta sfide tecniche e ambientali considerevoli. L’estrazione mineraria richiede l’utilizzo di grandi quantità di acidi e sostanze chimiche, con potenziali impatti negativi sull’ambiente. Inoltre, molti giacimenti contengono elementi radioattivi come il torio, che richiedono procedure speciali di gestione e smaltimento.

La domanda globale di terre rare è in costante crescita, trainata dalla transizione energetica e dalla digitalizzazione dell’economia. Si prevede che il mercato raggiungerà i 20 miliardi di dollari entro il 2030, con una crescita particolarmente significativa nella domanda di elementi come il neodimio e il disprosio, essenziali per la produzione di magneti permanenti.

L’Unione Europea ha identificato le terre rare come materie prime critiche e sta sviluppando strategie per ridurre la dipendenza dalle importazioni cinesi. Progetti di esplorazione sono in corso in Groenlandia e in diverse regioni dell’Europa settentrionale, mentre si stanno sviluppando tecnologie per il riciclo delle terre rare da prodotti elettronici dismessi.