Van computer harde schijven en smartphones tot oordopjes en elektromotoren, magneten lopen voorop in de technologie van vandaag. Magneten die zeldzame-aarde-elementen bevatten, behoren tot de krachtigste die er zijn, waardoor veel alledaagse voorwerpen steeds kleiner worden. Maar zeldzame-aarde-elementen kunnen moeilijk te verkrijgen zijn, gezien hun schaarste of de uitdagende geopolitieke klimaten van sommige van de landen waar ze worden gedolven. Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben magneten geïdentificeerd op basis van gemakkelijker verkrijgbare zeldzame aardmetalen, evenals enkele veelbelovende magneten die deze materialen helemaal niet bevatten.

De onderzoekers zullen hun bevindingen vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

"We hebben nieuwe manieren ontwikkeld om beter te voorspellen welke materialen goede magneten maken, " zegt Thomas Lograsso, doctoraat, die het team leidde. "Experimenteel, we kunnen bijna-magneetsystemen 'rehabiliteren', paramagneten genoemd. We beginnen met legeringen of verbindingen die alle juiste eigenschappen hebben om ferromagnetisch te zijn bij kamertemperatuur. Vele keren, deze materialen hebben een hoog gehalte aan ijzer of kobalt."

Paramagneten zijn materialen die zwak worden aangetrokken door een magnetisch veld en niet permanent gemagnetiseerd zijn. Maar door legeringen toe te voegen, paramagneten zijn omgevormd tot ferromagneten, of gewone permanente magneten, zoals het metalen oppervlak van een koelkast. Lograsso's team van het Critical Materials Institute van Ames Laboratory heeft tot nu toe twee veelbelovende kandidaten geïdentificeerd die deze "rehabiliterende" benadering gebruiken, en beide zijn vormen van ceriumkobalt:CeCo ₃ en CeCo ₅ . Hoewel cerium een ​​zeldzaam aardelement wordt genoemd, het is zeer overvloedig en gemakkelijk te verkrijgen.

Eerder werk aan CeCo ₃ toonde aan dat het klassiek paramagnetisch gedrag vertoonde. Berekeningen voorspelden dat door magnesium toe te voegen, paramagnetische CeCo ₃ kan worden omgevormd tot een ferromagneet. Deze voorspellingen zijn experimenteel gevalideerd, Loggrasso zegt, en deze eigenschap is waargenomen bij metingen van enkele kristallen van de verbinding.

CeCo ₅ is een sterke ferromagneet. De onderzoekers combineerden theoretische berekeningen met experimenten met hoge doorvoer om de exacte hoeveelheid koper en ijzer te bepalen die het ferromagnetisme van de verbinding zou optimaliseren. Met deze toevoegingen het team verwacht dat CeCo ₅ ooit zou kunnen worden gebruikt in plaats van de sterkste zeldzame-aarde-magneten die neodymium (Nd) en dysprosium (Dy) bevatten, waardoor de vraag naar die kritieke elementen afneemt. Lograsso en collega's blijven andere soortgelijke metalen onderzoeken die aan CeCo . kunnen worden toegevoegd ₅ om zijn geschiktheid als een levensvatbare vervanging voor Nd- en Dy-magneten verder te verbeteren.

"Het vervangen van zeldzame-aardmagneten, waar veel vraag naar is, zou ideaal zijn, zowel economisch als ecologisch, "zegt Lograsso. "Hoewel onze gemodificeerde cerium-kobaltverbindingen niet zo krachtig zijn als zeldzame-aardmagneten, ze kunnen nog steeds zeer waardevol zijn voor bepaalde commerciële toepassingen. Dus, ons doel is om het juiste magneetmateriaal af te stemmen op een specifieke toepassing - een zogenaamde 'Goldilocks' niet-zeldzame-aarde-magneet."

Daartoe, de groep blijft hun strategie gebruiken om de belangrijkste kenmerken van slechte magneten of niet-magneten te optimaliseren om ze om te zetten in alternatieven die volledig vrij zijn van zeldzame aardelementen. Bijvoorbeeld, ze gebruiken nu kobalt om de prestaties van ijzergermanium te optimaliseren, Fe ₃ Ge. De hoge magnetisatie van de resulterende verbinding is vergelijkbaar met de beste op Nd gebaseerde magneten. Deze strategie is niet alleen beperkt tot Fe ₃ Ge en wordt toegepast op andere veelbelovende zeldzame-aarde-vrije verbindingen om de magneeteigenschappen selectief te verbeteren.