Fizycy znaleźli sposób na mocne magnesy bez metali ziem rzadkich. To szansa dla energetyki, motoryzacji i elektroniki.
Współczesna gospodarka dosłownie stoi na magnesach. Bez nich nie ma silników w samochodach elektrycznych, nowoczesnych turbin wiatrowych, dysków twardych, robotów przemysłowych ani wielu urządzeń medycznych. Problem jednak w tym, iż najmocniejsze magnesy stałe opierają się dziś na tzw. metalach ziem rzadkich, czyli na takich pierwiastkach, jak neodym czy dysproz.
To nie są metale niezwykle rzadkie, ale ich złoża są skoncentrowane jedynie w kilku regionach świata, a proces wydobycia jest kosztowny i szkodliwy dla środowiska. Do tego dochodzi ryzyko polityczne i przerwane łańcuchy dostaw. Oznacza to, iż cała zielona transformacja, oparta m.in. na silnych magnesach w generatorach i pojazdach, stoi na kilku wrażliwych surowcach.
Właśnie dlatego od lat trwa wyścig o materiały, które dawałyby podobną siłę i stabilność magnesu, ale powstawały z tego, co mamy pod ręką: popularnych metali, łatwych do pozyskania w wielu krajach. Nowa praca zespołu fizyków właśnie pokazuje, iż taki materiał zaczyna przybierać bardzo konkretną postać.
Magnes z pięciu metali i boru. Chaos, który daje porządek
Kluczem do odkrycia są tzw. stopy wysokiej entropii. To materiały, w których miesza się nie 2 czy 3, ale zwykle 5 lub więcej pierwiastków w zbliżonych proporcjach. Zamiast jednego dominującego metalu powstaje swoisty koktajl o bardzo złożonym składzie.
Może i to brzmi jak przepis na chaos, ale w skali atomowej takie mieszaniny potrafią zachowywać się zaskakująco dobrze. Duża liczba możliwych konfiguracji atomów daje im wyjątkową stabilność, a fizycy mogą stroić ich adekwatności, zmieniając udział poszczególnych składników.
W nowej pracy naukowcy wzięli na warsztat grupę tzw. metali przejściowych pierwszego rzędu. Są to takie pierwiastki, jak żelazo, kobalt, nikiel czy mangan, dobrze znane z klasycznych stopów stali. Do tego dołożyli bor, niewielki, ale bardzo wpływowy pierwiastek, który lubi tworzyć z metalami uporządkowane struktury.
W praktyce wyglądało to tak, iż w komorze napylania umieszczono kilka tarcz z różnych metali. Podczas procesu zwanego napylaniem kombinatorycznym atomy z każdej tarczy odrywają się i osiadają na nagrzanym podłożu, mieszając się na nim w różnych proporcjach. Jedna płytka może zawierać kilkadziesiąt próbek o minimalnie innym składzie, co pozwala bardzo gwałtownie przetestować całe menu mieszanek.
Bor nadaje kierunek. Nowa krystaliczna kratownica C16
Większość znanych stopów wysokiej entropii ma strukturę sześcienną, w której trudno uzyskać jednoznacznie uprzywilejowany kierunek namagnesowania. Tymczasem mocny magnes potrzebuje właśnie tego, co fizycy nazywają anizotropią magnetyczną, a mianowicie wyraźnie preferowanego kierunku, w którym wskazuje wektor magnetyzacji.
Za sprawą boru badanym stopom udało się narzucić zupełnie inną geometrię. Atomowy szkielet materiału przyjął tzw. fazę C16. Jest to struktura tetragonalna, czyli jakby rozciągnięta w jednym kierunku kostka. Ta pozornie drobna różnica ma tak naprawdę ogromne znaczenie: niższa symetria kryształu sprzyja temu, by magnes wolał konkretną orientację.
Po obróbce cieplnej cienkich warstw materiału eksperymentalnego okazało się, iż powstaje rzeczywiście uporządkowany układ o parametrach zgodnych z przewidywaniami. Pomiary magnetyczne pokazały, iż magnesowanie nie jest już obojętne na kierunek. Wręcz przeciwnie, bardzo wyraźnie wybiera jedną oś. To dokładnie ta cecha, której do tej pory brakowało wielu alternatywnym materiałom bez metali ziem rzadkich.
Anizotropia na poziomie magnesów z ziem rzadkich
Najważniejszy wynik pojawił się wtedy, gdy naukowcy porównali siłę anizotropii nowych borowych stopów z tym, co oferują współczesne magnesy. W niektórych kombinacjach pięciu metali i boru udało się osiągnąć wartości zbliżone do tych, które znamy z najlepszych magnesów opartych na metalach ziem rzadkich, a choćby przebić wcześniejsze rekordy dla materiałów pozbawionych tych pierwiastków.
Innymi słowy, mamy tu do czynienia z materiałem, który pod względem uporządkowania magnetyzacji zaczyna grać w tej samej lidze co magnesy z neodymem, ale powstaje z dużo łatwiej dostępnych metali. To wciąż nie oznacza, iż zastąpi on od ręki wszystkie obecne rozwiązania, ale po raz pierwszy poziom najważniejszego parametru przestaje być główną barierą.
Co ważne, eksperymenty i obliczenia teoretyczne świetnie się tu uzupełniają. Symulacje elektronowe pokazały, iż za wysoką anizotropią kryje się odpowiednie ustawienie liczby elektronów walencyjnych i momentu magnetycznego w tej egzotycznej mieszance. To cenna wskazówka na przyszłość, bowiem wiadomo, w jakim kierunku pchać skład, by jeszcze poprawić parametry.
Silniki, dyski, roboty. Gdzie takie magnesy mogą trafić?
Nowa rodzina materiałów powstała na razie w formie bardzo cienkich warstw. Jest to naturalne na etapie badań laboratoryjnych. Już na tym poziomie widać jednak potencjalne zastosowania. Cieńsze, bardziej stabilne magnetycznie warstwy to marzenie projektantów nowej generacji nośników danych, w których każdy bit zajmuje mikroskopijny fragment powierzchni dysku.
Jeśli uda się przenieść te adekwatności do większych objętości materiału, lista możliwych zastosowań rośnie lawinowo. Mocne, stabilne magnesy z żelaza, kobaltu, niklu, manganu i boru mogłyby trafić do wirników silników elektrycznych, generatorów, przetworników w elektrowniach wiatrowych, a także robotów i precyzyjnych urządzeń medycznych.
Istotne jest to, iż mówimy o pierwiastkach zwykłych, czyli metalach, które występują szeroko i mogą być pozyskiwane w wielu regionach świata, z mniejszym ryzykiem nagłego odcięcia dostaw. Dla producentów to mniej nerwów, a dla państw to większa niezależność surowcowa, a dla środowiska szansa na stopniowe ograniczanie wydobycia najbardziej problematycznych złóż.
