Grupa badaczy z Georgetown University twierdzi, że znalazła sposób, aby ten problem obejść. Zaprezentowali nową klasę silnych magnesów, które w ogóle nie wykorzystują pierwiastków ziem rzadkich. Zamiast nich, ich materiał bazuje na powszechnie dostępnych metalach przejściowych i borze, tworząc tzw. wysokoentropowe borki. To odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie dla przyszłości wielu gałęzi przemysłu.
Wysokoentropowe borki i sekret ich struktury.
Klucz do sukcesu tkwi w specyficznej strukturze krystalicznej o nazwie faza C16. Można ją sobie wyobrazić jako sześcian delikatnie rozciągnięty w jednym kierunku. Taka tetragonalna symetria sprzyja pojawieniu się silnej anizotropii magnetycznej. W uproszczeniu oznacza to, że namagnesowanie materiału preferuje jeden, konkretny kierunek, co jest niezwykle pożądaną cechą w magnesach trwałych.
Czytaj także: Odkryto nowy stan materii. Rewolucja w fizyce kwantowej
Zespół pod kierunkiem profesorów Kai Liu i Gen Yin, przy kluczowym udziale doktoranta Willie Beesona, opracował metodę pozwalającą na niezwykle efektywne poszukiwanie optymalnych składów materiałowych. Dzięki kombinatorycznej metodzie napylania byli w stanie testować jednocześnie około 50 różnych kompozycji. Atomy różnych metali dokładnie mieszały się przed osadzeniem na podgrzewanym podłożu, co radykalnie skróciło czas potrzebny na eksperymenty.
Parametry, które dają do myślenia.
Stworzone pięcioelementowe kompozycje borków osiągają poziom anizotropii magnetycznej porównywalny z magnesami zawierającymi metale ziem rzadkie. Co istotne, wartości te przewyższają wszystko, co dotąd zgłoszono dla materiałów wysokoentropowych wolnych od tych pierwiastków.
Jako przykład badacze podają cienką warstwę fazy C16 o składzie (FeCoNiMn)2B i grubości zaledwie 50 nanometrów. Jej parametry sieci krystalicznej wynoszą odpowiednio 5,05 i 4,25 angstremów. Zaobserwowane trendy zostały potwierdzone przez obliczenia teoretyczne, które wskazały, że za zwiększoną anizotropię odpowiada zoptymalizowana struktura elektronowa materiału, a konkretnie stężenie elektronów walencyjnych i efektywny moment magnetyczny.
Przyszłość badań napędzana przez algorytmy.
Naukowcy nie zamierzają spocząć na laurach. Ich kolejnym krokiem ma być wykorzystanie uczenia maszynowego do jeszcze szybszego przeczesywania ogromnej przestrzeni możliwych kompozycji i struktur krystalicznych. Kombinatoryczne podejście do syntezy, połączone z mocą algorytmów, może zmienić reguły gry w materiałoznawstwie. Procesy, które tradycyjnie zajmowały lata, da się teraz skompresować do miesięcy, a być może nawet tygodni.
Co to oznacza dla technologii.
Potencjalne zastosowania nowych magnesów są bardzo szerokie. Mogą one trafić do silników w pojazdach elektrycznych, precyzyjnych robotów przemysłowych, zaawansowanych systemów przechowywania danych czy sprzętu medycznego. Pokazanie, że wysoką wydajność magnetyczną można uzyskać bez kosztownych i trudno dostępnych surowców, otwiera drogę ku bardziej zrównoważonym technologiom.
Dotychczas w aplikacjach wymagających cienkich warstw magnetycznych często stosowano stopy żelaza i platyny, gdzie ten drugi składnik również jest metalem szlachetnym o wysokiej cenie. Wysokoentropowe borki oferują szansę na ich zastąpienie, zapewniając zbliżone parametry przy prawdopodobnie znacznie niższych kosztach i bez problemów z dostępnością.
Czytaj także: Stworzono nowy stan materii. Fizycy nigdy czegoś takiego nie widzieli
Pełne wyniki badań, opisujące również szerszy potencjał uporządkowanych materiałów wysokoentropowych do odkrywania nowych właściwości, ukazały się w czasopiśmie Advanced Materials.
To odkrycie z Georgetown to coś więcej niż kolejny artykuł w renomowanym czasopiśmie. To realna, choć wciąż wymagająca dalszych prac, perspektywa na zwiększenie niezależności technologicznej i zmniejszenie negatywnego wpływu przemysłu na środowisko. Droga od laboratoryjnej próbki do masowej produkcji jest zwykle długa i wyboista, ale kierunek, który wskazują naukowcy, wydaje się niezwykle obiecujący. Jeśli ich pomysł się sprawdzi, możemy być świadkami cichej rewolucji w sercach naszych urządzeń.