Magnesy są nieodzownym elementem współczesnej techniki – znajdują zastosowanie m.in. w smartfonach, komputerach, pojazdach elektrycznych, turbinach wiatrowych, rezonansach magnetycznych czy implantach medycznych. Kluczowym wyzwaniem dla przemysłu od lat pozostaje konieczność stosowania w ich produkcji metali ziem rzadkich, takich jak neodym czy dysproz. Choć nazwa może sugerować coś wyjątkowego, pierwiastki te są stosunkowo powszechne w skorupie ziemskiej, ale ich wydobycie i przetwarzanie jest niezwykle pracochłonne, kosztowne i obciążające dla środowiska.
Tradycyjnie silne właściwości magnetyczne wiążą się z tzw. wysoką anizotropią magnetyczną – cechą, którą najłatwiej osiągnąć właśnie przy użyciu metali ziem rzadkich. Pozory jednak mogą mylić. Badania przeprowadzone przez zespół kierowany przez prof. J. Pinga Liu z UTA, we współpracy z Sandia National Laboratories i Danube University w Austrii, wykazały, że podobne właściwości można uzyskać także w przypadku znacznie tańszego i łatwiej dostępnego tlenku żelaza.
Czytaj także: Przełom w wydobyciu metali ziem rzadkich. Chińscy naukowcy znaleźli sposób
W eksperymentach, których wyniki opublikowano w prestiżowym periodyku naukowym Nature Communications, badacze poddali nanocząstki tlenku żelaza ekstremalnemu ciśnieniu, sięgającemu 19 gigapaskali – to około 180 000 razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza. W warunkach takich naprężeń, uzyskanych za pomocą tzw. diamentowego kowadła, nanocząstki przekształciły się w regularne łańcuchy o znacznie lepszych właściwościach magnetycznych niż wcześniej obserwowane.
Kluczowym odkryciem było zaobserwowanie nowego rodzaju anizotropii magnetycznej, dotąd niespotykanej w tlenku żelaza.
To odkrycie może podważyć dotychczasowe założenia fizyki materii skondensowanej i zainicjować nową erę projektowania materiałów magnetycznych. Dzięki możliwości sterowania właściwościami magnetycznymi poprzez odpowiednią obróbkę nanostrukturalną możliwe stanie się tworzenie magnesów, które nie tylko dorównują wydajnością tym opartym na metalach ziem rzadkich, ale są również od nich tańsze i znacznie mniej szkodliwe dla środowiska.
Czytaj także: Jądro Ziemi nie jest tylko gorącą kulą żelaza. Wiemy, jaki „życiodajny” element może się tam jeszcze chować
Potencjalne zastosowania tego typu materiałów są ogromne. Ulepszone magnesy mogą zwiększyć pojemność dysków twardych, poprawić wydajność silników elektrycznych, obniżyć koszty urządzeń medycznych i usprawnić działanie instalacji energii odnawialnej. W dobie rosnącego zapotrzebowania na ekologiczne i energooszczędne technologie, takie rozwiązania są nie tylko pożądane, ale wręcz niezbędne.
Tak czy inaczej, badania zespołu z Uniwersytetu Teksańskiego w Arlington pokazują, że przyszłość technologii magnetycznych może opierać się na bardziej powszechnych, zrównoważonych materiałach, co oznacza szansę na uniezależnienie się od kosztownych i niestabilnych dostaw metali ziem rzadkich.