Érbio (Er) - (Terras raras)

Amplificadores de fibras ópticas

• O érbio (homenagem a cidade de Ytterby (Suécia), onde foi encontrado primeiro) é um elemento químico de símbolo Er , de número atômico 68 ( 68 prótons e 68 elétrons ) com massa atômica 167,2 u, pertencente ao grupo dos lantanídios. À temperatura ambiente, o Érbio encontra-se no estado sólido. Faz parte do grupo das terras raras.

É usado em filtro fotográfico , dopante em amplificadores ópticos e seu óxido como pigmento para colorir vidros e esmaltes. Foi descoberto em 1843 pelo sueco Carl Gustaf Mosander, do mineral gadolinita de Ytterby. cidade da Suécia.

Características principais:

• É um elemento metálico trivalente que na forma pura é maleável, macio, relativamente estável no ar, não oxidando tão rapidamente quanto alguns outros metais terras raras. 

Seus sais são coloridos ( rosa ) , e o elemento tem faixas de absorção espectral no visível, ultravioleta e próximo do infravermelho que, associado com a sua configuração eletrônica lhe confere cores pastéis muito bonitas. O seu sesquióxido é chamado de "érbia" As propriedades do érbio dependem em grande parte das impurezas que contém. Temperatura de Curie= 52,4 kelvin

Aplicações:

• Os usos diários do érbio são variados. É usado geralmente como filtro fotográfico e devido a sua resistência é útil como aditivo metálico. Outros usos: 
• Usado em tecnologia nuclear como um absorvente de nêutrons. 
• Usado como dopante em amplificadores ópticos a fibra (EDFAs). 
• Quando adicionado ao vanádio como liga diminui a dureza e melhora a sua condição de ser trabalhado. 
• O óxido de érbio apresenta uma coloração rosada , por isso, é usado para tingir vidros e em esmalte para porcelanas . Esse vidro é usado, então, para produzir óculos de sol e jóias baratas. 

História:

• O érbio ( homenagem a Ytterby, uma cidade da Suécia ) foi descoberto por Carl Gustaf Mosander em 1843. Mosander separou da "yttria" , um mineral da gadolinita , três frações que chamou de "yttria", "érbia", e "térbia". 

Ele nomeou o novo elemento em homenagem a cidade de Ytterby, onde concentrações grandes de Ytrya e érbia foram encontrados. Neste tempo, érbia e térbia ainda eram confundidos. Após 1860 , aquele que era conhecido como como térbia passou a ser chamado de érbio e, após 1877, aquele conhecido como érbia foi rebatizado de térbio. 

• O Er2 O3 razoavelmente puro foi isolado independentemente em 1905 por Georges Urbain e Charles James. O metal razoavelmente puro não foi produzido até 1934 quando klemm e Bommer reduziram o cloreto anidro com vapor de potássio.

Ocorrência:

• Como outras terras raras, este elemento nunca é encontrado na forma livre na natureza, porém é encontrado em minérios como na areia monazítica. Historicamente foi muito difícil e caro separar terras raras de seus minérios. 

Porém, com o desenvolvimento de técnicas de produção como a troca iônica no século XX , ocorreu uma redução de custos na obtenção das terras raras e os seus compostos. As fontes comerciais de obtenção do érbio são os minerais xemotime e euxenita.

Isótopos:

• O érbio natural é composto de 6 isótopos estáveis, Er162, Er164, Er166, Er167, Er168, e Er170 , sendo o Er166 o mais abundante (33,6% de abundância natural). 23 radioisótopos tem sido identificados, sendo o mais estável o Er169 com uma meia-vida de 9,4 dias, 

Er172 com uma meia-vida de 49,3 horas, Er160 com meia-vida de 28,58 horas, Er165 com meia-vida de 10,36 horas, e Er171 com meia-vida de 7,516 horas. Todos os demais isótopos radioativos tem meias-vidas abaixo de 3,5 horas, e a maioria destes inferior a 4 minutos. Este elemento tem também 6 meta estados , sendo o mais estável o 167mEr (t½ 2,269 segundos).

• As massas atômicas dos isótopos de érbio variam de 144.957 u (145Er) até 173,944 u (174Er). O principal modo de decaimento anterior ao isótopo estável mais abundante, 166Er, é a captura eletrônica, e o principal após o mais estável é o decaimento beta. 

Os produtos de decaimento primário antes do 166Er são os isótopos do elemento hólmio, e os produtos de decaimento primários após o mais estável são os isótopos do elemento túlio.

Precauções:

• Como os demais lantanídios , os compostos de érbio apresentam de baixa a moderada toxicidade, embora sua toxicidade não tenha sido investigada com detalhes. Entretanto, devem ser manuseados com precaução.

O pó de érbio metálico apresenta o perigo de entrar em fogo e explodir. O érbio não apresenta nenhum papel biológico conhecido, mas acredita-se que tem o poder de estimular o metabolismo.

Aplicação:

• A tecnologia atualmente utilizada nas redes de comunicação óptica não dará conta de atender à expansão da internet, dos dispositivos móveis, da TV de alta definição e das demandas das telecomunicações nos próximos 20 anos. 

Será necessário multiplicar a capacidade atual de operação – de um terabyte por segundo – por um fator entre 100 e 1.000 para atender a um número cada vez maior de usuários – que representará quase metade da população mundial já em 2017 – e ao tráfego corporativo global.

• Num mundo conectado em rede, o colapso das comunicações seria um apocalipse virtual e a busca de soluções mobiliza empresas e instituições de pesquisas – entre elas, o Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CePOF), em Campinas, um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) apoiados pela FAPESP.

“Fazemos todos os tipos de estudos com comunicações ópticas, desde caracterizar fibras até testar os sistemas mais avançados, com equipamentos de primeiro mundo”, resume Hugo Fragnito, coordenador do CePOF, que tem sede na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

• O CEPID ganhou posição de liderança na corrida mundial de pesquisas relacionadas à tecnologia de amplificadores paramétricos de fibra óptica (Fopa, do inglês Fiber Optic Parametric Amplifier). 

Os amplificadores têm a função de manter a potência do sinal de luz que percorre o interior das fibras ao longo do percurso e, no caso dos amplificadores paramétricos, poderão ser a resposta ao desafio de ampliar a largura da banda e, consequentemente, o tráfego na rede. “Conseguimos um recorde: já atingimos uma largura de banda de 115 nanômetros [um nanômetro equivale a um milionésimo do milímetro]”, ele explica.

• Foi, de fato, um grande feito. Os sistemas disponíveis garantem uma largura máxima de banda de 30 nanômetros na região das comunicações ópticas, podendo comportar até 80 lasers – o que limita a transmissão a uns poucos terabytes por segundo.

 Quanto maior a largura da banda, maior o número de lasers colocados numa única fibra e maior a capacidade de tráfego. De acordo com Fragnito, “utilizando os Fopas, será possível transmitir dez vezes mais”.

• Ainda há problemas a serem solucionados antes de levar os Fopas ao mercado. O primeiro é controlar a dispersão da luz na fibra óptica, decorrente de variações de diâmetro ao longo do percurso e que pode comprometer os ganhos da nova tecnologia, já que limita a eficiência dos Fopas. 

“Estamos estudando como desenvolver fibras e guias de onda extremamente uniformes, de forma a reduzir a dispersão ao longo da fibra”, afirma Fragnito.

• O segundo problema, ainda sem solução, é a dimensão dos equipamentos, levando-se em conta que, no mundo da alta tecnologia, espaço é custo. O ideal seria colocar “tudo dentro de um chip”, diz Fragnito. 

“A óptica integrada foi impulsionada pela necessidade da indústria microeletrônica em vencer os limites de espaço físico, aumentando as taxas de desempenho. Hoje, estamos apostando na miniaturização de componentes de fibras ópticas – ou seja, em fazer tudo menor e mais barato.”

• Com recursos da FAPESP, o CePOF criou uma infraestrutura de ponta para a fabricação de dispositivos de óptica integrada a base de silício e outros materiais semicondutores. Essa tecnologia permitirá integrar dezenas de lasers, filtros, detectores e outros dispositivos fotônicos interconectados por guias de onda de dimensões nanométricas, tudo em um único chip do tamanho de uma moeda de R$ 0,25.

Vidro telurito:

• A operação comercial dos amplificadores paramétricos promete promover uma nova revolução na comunicação óptica, comparável à tecnologia de fibras ópticas dopadas com érbio, adotada em meados dos anos 1990. “O érbio viabilizou a internet”, enfatiza Fragnito.

Antes do érbio, ele conta, a comunicação entre São Paulo e Campinas por meio de fibra óptica, por exemplo, funcionava com capacidade máxima de 1 gigabyte por segundo. Em cada fibra, um laser. Se a demanda crescesse, era necessário instalar mais fibras. E, a cada 20 quilômetros, era preciso colocar um repetidor de circuito eletrônico para que a luz continuasse a sua viagem. Além de caro, o sistema era lento.

• O érbio, elemento químico do grupo terras raras, tem a propriedade de emitir fótons que aumentam a intensidade da luz e, com a tecnologia WDM, possibilita que uma mesma fibra se transforme numa espécie de ramalhete de lasers operando em frequências diferentes e com sinais mais intensos.

Tal tecnologia viabilizou os serviços de banda larga e permitiu substituir repetidores por amplificadores, instalados a cada 50 quilômetros ao longo do percurso da fibra, acelerando o tráfego de dados. Ante o risco de congestionamento na rede, no entanto, há que se garantir mais eficiência não apenas para os amplificadores, mas para todos os componentes da rede óptica, inclusive para as fibras.

• As fibras ópticas são fabricadas com sílica, um óxido abundante e barato. O problema é que um amplificador óptico carrega de 20 a 30 metros de fibras de sílica enroladas, o que aumenta as dimensões do equipamento. Os pesquisadores do CePOF investigam alternativas para esse material e têm conseguido resultados interessantes substituindo a sílica por óxido de telúrio – tecnologia já patenteada pela equipe.

“A vantagem é que o telurito permite dissolver o érbio em concentração 70 vezes maior do que a sílica”, compara Fragnito. Quanto mais érbio, mais fótons e mais luz. Com o telurito, talvez seja possível reduzir o comprimento e o volume das fibras e, consequentemente, a dimensão dos amplificadores. “A palavra de ordem é miniaturizar, reduzir de 20 metros para centímetros”, ele diz.

Fibra Óptica em cabos.