Materiaalwetenschappers hebben twee nieuwe magnetische materialen voorspeld en gebouwd, atoom voor atoom, met behulp van high-throughput rekenmodellen. Het succes markeert een nieuw tijdperk voor het grootschalig ontwerpen van nieuwe magnetische materialen met ongekende snelheid.

Hoewel magneten in het dagelijks leven in overvloed aanwezig zijn, het zijn eigenlijk zeldzaamheden - slechts ongeveer vijf procent van de bekende anorganische verbindingen vertoont zelfs maar een vleugje magnetisme. En daarvan, slechts enkele tientallen zijn nuttig in toepassingen in de echte wereld vanwege de variabiliteit in eigenschappen zoals effectief temperatuurbereik en magnetische duurzaamheid.

De relatieve schaarste van deze materialen kan ze duur of moeilijk verkrijgbaar maken, waardoor velen op zoek gingen naar nieuwe opties, gezien het belang van magneten in toepassingen variërend van motoren tot magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -machines. Het traditionele proces omvat niet meer dan vallen en opstaan, omdat onderzoekers verschillende moleculaire structuren produceren in de hoop er een te vinden met magnetische eigenschappen. Veel krachtige magneten, echter, zijn bijzondere eigenaardigheden tussen fysische en chemische trends die de intuïtie tarten.

In een nieuwe studie, materiaalwetenschappers van Duke University bieden een kortere weg in dit proces. Ze tonen het vermogen om magnetisme in nieuwe materialen te voorspellen door middel van computermodellen die in korte tijd honderdduizenden kandidaten kunnen screenen. En, om te bewijzen dat het werkt, ze hebben twee magnetische materialen gemaakt die nog nooit eerder zijn gezien.

De resultaten verschijnen 14 april, 2017, in wetenschappelijke vooruitgang .

"Het voorspellen van magneten is een hele klus en hun ontdekking is zeer zeldzaam, " zei Stefano Curtarolo, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en directeur van het Center for Materials Genomics bij Duke. "Zelfs met ons screeningproces, het kostte jaren werk om onze voorspellingen te synthetiseren. We hopen dat anderen deze aanpak zullen gebruiken om magneten te maken voor gebruik in een breed scala aan toepassingen."

De groep concentreerde zich op een familie van materialen die Heusler-legeringen worden genoemd - materialen gemaakt met atomen van drie verschillende elementen die zijn gerangschikt in een van de drie verschillende structuren. Gezien alle mogelijke combinaties en opstellingen die beschikbaar zijn met behulp van 55 elementen, de onderzoekers hadden 236, 115 potentiële prototypes om uit te kiezen.

Om de lijst te verfijnen, de onderzoekers bouwden elk prototype atoom voor atoom in een rekenmodel. Door te berekenen hoe de atomen waarschijnlijk op elkaar inwerken en de energie die elke structuur nodig zou hebben, de lijst slonk tot 35, 602 potentieel stabiele verbindingen.

Vanaf daar, de onderzoekers voerden een strengere test van stabiliteit uit. In het algemeen, materialen stabiliseren in de opstelling die de minste hoeveelheid energie nodig heeft om te onderhouden. Door elke verbinding te vergelijken met andere atomaire arrangementen en degenen weg te gooien die zouden worden verslagen door hun concurrentie, de lijst kromp tot 248.

Van die 248, slechts 22 materialen vertoonden een berekend magnetisch moment. De laatste snit liet alle materialen met concurrerende alternatieve structuren te dichtbij voor comfort, een laatste 14 kandidaten achterlatend om van het theoretische model naar de echte wereld te brengen.

Maar zoals de meeste dingen in een laboratorium blijken, het synthetiseren van nieuwe materialen is makkelijker gezegd dan gedaan.

"Het kan jaren duren om een ​​manier te vinden om een ​​nieuw materiaal in een laboratorium te maken, " zei Corey Oses, een doctoraatsstudent in het laboratorium van Curtarolo en tweede auteur van het papier. "Er kunnen allerlei soorten beperkingen of speciale omstandigheden zijn die nodig zijn om een ​​materiaal te stabiliseren. Maar kiezen uit 14 is een stuk beter dan 200, 000."

Voor de synthese, Curtarolo en Oses wendden zich tot Stefano Sanvito, hoogleraar natuurkunde aan het Trinity College in Dublin, Ierland. Na jaren van pogingen om vier van de materialen te maken, Sanvito slaagde met twee.

Beiden waren, als voorspeld, magnetisch.

Het eerste nieuw geslagen magnetische materiaal was gemaakt van kobalt, mangaan en titanium (Co2MnTi). Door de gemeten eigenschappen van magneten met dezelfde structuur te vergelijken, de onderzoekers konden de eigenschappen van de nieuwe magneet zeer nauwkeurig voorspellen. Van bijzonder belang, ze voorspelden de temperatuur waarbij het nieuwe materiaal zijn magnetisme verloor op 940 K (1232 graden Fahrenheit). Bij het testen, de werkelijke "Curie-temperatuur" bleek 938 K (1228 graden Fahrenheit) te zijn - een uitzonderlijk hoog aantal. Dit, samen met het ontbreken van zeldzame aardelementen, maakt het potentieel nuttig in veel commerciële toepassingen.

"Veel krachtige permanente magneten bevatten zeldzame aardelementen, " zei Oses. "En zeldzame aardmaterialen kunnen duur en moeilijk te verkrijgen zijn, vooral diegene die alleen in Afrika en China te vinden zijn. De zoektocht naar magneten die vrij zijn van zeldzame aardmetalen is van cruciaal belang, vooral omdat de wereld lijkt terug te deinzen voor globalisering."

Het tweede materiaal was een mengsel van mangaan, platina en palladium (Mn2PtPd), wat een antiferromagneet bleek te zijn, wat betekent dat de elektronen gelijk zijn verdeeld in hun uitlijning. Dit leidt ertoe dat het materiaal geen eigen intern magnetisch moment heeft, maar laat zijn elektronen reageren op externe magnetische velden.

Hoewel deze eigenschap niet veel toepassingen heeft buiten magnetische velddetectie, harde schijven en Random Access Memory (RAM), dit soort magneten zijn uiterst moeilijk te voorspellen. Hoe dan ook, de berekeningen van de groep voor de verschillende eigendommen bleven perfect.

"Het maakt niet echt uit of een van deze nieuwe magneten in de toekomst nuttig blijkt, "zei Curtarolo. "Het vermogen om hun bestaan ​​snel te voorspellen is een grote staatsgreep en zal van onschatbare waarde zijn voor materiaalwetenschappers die vooruit gaan."