Raziskovalci z Univerze Georgetown so razvili nov razred močnih magnetnih materialov, ki ne vsebujejo redkih zemelj niti plemenitih kovin, kar bi lahko zmanjšalo odvisnost tehnološke industrije od dragih in geopolitično občutljivih surovin. Po navedbah univerze bi lahko novo odkritje vplivalo na razvoj motorjev, robotike, naprav za magnetno resonanco, shranjevanja podatkov in potrošniške elektronike.
Ključna lastnost, ki določa uporabnost magnetov v sodobnih tehnologijah, je magnetna anizotropija, torej sposobnost materiala, da ima magnetizacijo močno usmerjeno v določeno smer. Prav ta lastnost omogoča stabilno delovanje trajnih magnetov in magnetnih medijev za zapis podatkov. Po pojasnilih raziskovalcev so danes materiali z najmočnejšo anizotropijo večinoma odvisni od redkozemeljskih elementov ali od zlitin, ki vsebujejo platino, kar pomeni večje stroške, okoljske obremenitve pri rudarjenju in tveganja v dobavnih verigah.
Raziskovalna skupina z oddelka za fiziko na Fakulteti za umetnost in znanost Univerze Georgetown, ki jo vodita profesorja Kai Liu in Gen Yin, je skupaj s podiplomskim študentom Williejem Beesonem razvila magnetne materiale na osnovi t. i. boridov z visoko entropijo. Gre za spojine, sestavljene iz več prehodnih kovin in bora, ki so na Zemlji razmeroma pogosti.
Pri Univerzi Georgetown so poudarili, da materiali ne vsebujejo niti redkih zemelj niti plemenitih kovin, kar po njihovih navedbah odpira novo pot k trajnostnejšemu načrtovanju magnetov. Rezultati raziskave so objavljeni v znanstveni reviji Advanced Materials.
„Ponujamo trajnostni pristop k izdelavi močnih magnetov, ki jih je mogoče uporabiti za številne aplikacije, od prihodnjih magnetnih medijev za snemanje do trajnih magnetov,“ je po navedbah univerze dejal Liu. Ob tem je dodal, da raziskava „kaže na potencial za zmanjšanje odvisnosti od kritičnih materialov za magnete in druge aplikacije“.
Visokoentropijske zlitine so materiali, sestavljeni iz petih ali več elementov v skoraj enakih deležih. Po pojasnilih raziskovalcev takšna sestava omogoča zelo širok razpon elektronskih struktur in lastnosti, vendar so se dosedanje raziskave večinoma osredotočale na kristalne strukture, ki niso primerne za doseganje močne magnetne anizotropije.
Kristalna struktura C16 in kombinatorni pristop
Raziskovalci so to omejitev pojasnili z osredotočanjem na boride z visoko entropijo, pri katerih bor spodbuja bolj urejeno razporeditev atomov in kristalne strukture z nižjo simetrijo. Ciljali so na tetragonalno kristalno strukturo, znano kot faza C16, ki je bila do zdaj večinoma raziskana le v enostavnejših boridih z dvema ali tremi elementi.
Beeson je materiale sintetiziral z metodo kombinatornega razprševanja, pri kateri se atomi več različnih materialov hkrati nalagajo na segret substrat in se temeljito premešajo. Ta postopek je po navedbah raziskovalcev omogočil hitro testiranje velikega števila različnih sestav, saj je bilo mogoče na enem samem substratu hkrati izdelati več deset vzorcev z nekoliko drugačnimi razmerji elementov.
S sistematičnim preučevanjem sestav so raziskovalci uspeli doseči bistveno večjo magnetno anizotropijo, kot je bila doslej značilna za materiale z visoko entropijo brez redkih zemelj. Nekatere nove zmesi po njihovih navedbah dosegajo vrednosti, ki se približujejo zmogljivosti magnetov iz redkozemeljskih elementov.
Ujemanje teorije in eksperimenta
Rezultate so podprli tudi teoretični izračuni na osnovi teorije funkcionala gostote, ki so pokazali, da ima ključno vlogo elektronska struktura materiala, zlasti koncentracija valentnih elektronov in efektivni magnetni moment posameznih atomov. Po navedbah raziskovalcev to pojasnjuje, zakaj so nekatere kombinacije prehodnih kovin bistveno boljše pri doseganju visoke anizotropije.
„Še naprej raziskujemo še boljše trajne magnete ali snemalne medije z različnimi sestavami na različnih osnovnih kristalnih strukturah,“ je po navedbah univerze dejal Yin. Dodal je, da želijo v prihodnje uporabiti tudi metode strojnega učenja, da bi hitreje prepoznali najbolj obetavne kombinacije elementov.
Po ocenah raziskovalcev bi lahko novi materiali našli uporabo v tehnologijah, kjer je potrebna visoka magnetna anizotropija, med drugim v toplotno podprtih magnetnih snemalnih medijih, spintronskih napravah in magnetnih tunelskih spojih ter v energetsko učinkovitih trajnih magnetih brez redkih zemelj.
Pri Univerzi Georgetown so poudarili, da raziskava kaže, da je mogoče visoko zmogljive magnete razviti tudi brez uporabe kritičnih surovin, kar bi lahko dolgoročno vplivalo na stabilnost dobavnih verig in okoljski odtis magnetnih tehnologij. Hkrati po njihovih navedbah odpira širše možnosti za razvoj funkcionalnih materialov na osnovi urejenih visokoentropijskih struktur.
