Úplne nový typ silných magnetov sa zaobíde aj bez vzácnych zemín pod kontrolou Číny

KĽÚČOVÉ ZISTENIA

• Nová trieda magnetov využíva vysokoentropické boridy železa a kobaltu.

• Materiál eliminuje závislosť na geopoliticky citlivých vzácnych zeminách.

• Kryštalická štruktúra C16 zabezpečuje vysokú magnetickú anizotropiu.

Výskumný tím z Katedry fyziky na Georgetownskej univerzite pod vedením profesorov Kaia Liua a Gena Yina dosiahol prelomový úspech v oblasti materiálového inžinierstva. Vedcom sa podarilo syntetizovať úplne novú triedu silných magnetov, ktoré sa zaobídu bez prvkov vzácnych zemín, ako sú neodým alebo dysprózium.

Tento objav má potenciál zásadne zmeniť globálny trh s elektronikou a technológiami obnoviteľných zdrojov energie, ktorý je v súčasnosti závislý od dodávateľských reťazcov kontrolovaných prevažne Čínou. Nový materiál je založený na koncepte vysokej entropie, ktorý umožňuje stabilizovať zmesi prvkov v pomeroch, ktoré by boli za bežných okolností termodynamicky nemožné.   

Zdroj foto: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202516135

Základom inovácie je využitie bežne dostupných prechodných kovov, konkrétne železa, kobaltu a niklu, v kombinácii s bórom. Výskumníci vytvorili vysokoentropické boridy, ktoré kryštalizujú v špecifickej štruktúre typu C16.

Táto štruktúra je kľúčová, pretože umožňuje materiálu vykazovať významnú magnetickú anizotropiu, čo je vlastnosť nevyhnutná pre tvorbu trvalých magnetov. Magnetická anizotropia určuje schopnosť materiálu udržať si magnetizáciu v preferovanom smere aj pod vplyvom vonkajších demagnetizačných polí, čo je kritický parameter pre efektivitu elektromotorov a generátorov.    

Tradičné magnety využívané v moderných technológiách sa spoliehajú na vzácne zeminy práve kvôli ich schopnosti stabilizovať magnetické momenty pri vyšších teplotách. Ťažba týchto prvkov je však environmentálne devastujúca a geopoliticky riziková, čo viedlo vedcov k hľadaniu alternatív medzi hojnejšími prvkami.

Tím z Georgetownu využil techniku kombinatorického ko-rozprašovania, ktorá im umožnila nanášať tenké filmy materiálov s presne kontrolovaným zložením na atomárnej úrovni. Tento proces umožnil systematicky preskúmať rozsiahly kompozičný priestor a identifikovať presný pomer kovov, ktorý maximalizuje magnetické vlastnosti pri zachovaní štrukturálnej stability.   

Výsledné materiály vykazujú nielen sľubné magnetické vlastnosti, ale aj vysokú tepelnú stabilitu, čo je nevyhnutné pre aplikácie v extrémnych podmienkach, ako sú veterné turbíny na mori alebo motory elektrických vozidiel. Použitie vysokoentropických zliatin navyše zvyšuje odolnosť materiálu voči korózii a mechanickému opotrebovaniu, čím sa predlžuje životnosť koncových zariadení.

Týmto objavom sa otvára cesta k "udržateľnému magnetizmu", kde fyzikálna štruktúra a entropia nahrádzajú potrebu chemickej vzácnosti. Experimentálne výsledky, publikované v prestížnom vedeckom časopise Advanced Materials, potvrdzujú, že zavedenie viacerých prechodných kovov do mriežky boridu zvyšuje anizotropiu prostredníctvom chemického miešania.

Tento jav bol doteraz v takejto miere pozorovaný len zriedka a naznačuje, že sme len na začiatku chápania potenciálu vysokoentropických materiálov v magnetizme. Vedúci štúdie, postgraduálny študent Willie Beeson, spolu s tímom demonštrovali, že tento prístup je univerzálny a aplikovateľný na širšiu triedu materiálov.   

Priemyselná implementácia tejto technológie by mohla v horizonte niekoľkých rokov znížiť náklady na výrobu kľúčových komponentov zelenej transformácie. Odstránenie vzácnych zemín z rovnice nielen znižuje cenu, ale aj eliminuje riziko výpadkov dodávok v prípade medzinárodných konfliktov.

Výrobcovia automobilov a spotrebnej elektroniky by tak získali prístup k materiálom, ktorých zdroje sú rovnomerne rozložené po celom svete a nepodliehajú exportným kvótam jednej krajiny. Ďalší výskum sa teraz zameria na optimalizáciu koercitivity a remanencie týchto magnetov, aby sa svojimi parametrami vyrovnali alebo prekonali súčasné špičkové neodymové magnety.

Ak sa podarí tieto laboratórne výsledky úspešne škálovať do masovej výroby, pôjde o jeden z najvýznamnejších materiálových objavov dekády. Technológia tiež sľubuje zníženie uhlíkovej stopy spojenej s ťažbou, keďže spracovanie železa a bóru je energeticky menej náročné než separácia lantanoidov.   

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ

Nové magnety odstránia závislosť na vzácnych zeminách a zlacnia zelené technológie.

^{Zdroj: phys.org foto: depositphotos.com}

Zobrazit Galériu