Обнаружена потенциальная замена редкоземельным магнитам

В сотрудничестве с коллегами из Австрии исследователи из Кембриджского университета обнаружили, что тетратенит, «космический магнит», которому требуются миллионы лет для естественного развития в метеоритах, потенциально может быть использован вместо редкоземельных магнитов.

Раньше попытки получить тетратенит в лаборатории зависели от крайних и непрактичных методов, но ситуация изменится с использованием исследователями обычного элемента фосфора. Используя фосфор, существует возможность производить тетратенит искусственно и в больших масштабах, без какой-либо специализированной обработки или дорогостоящих технологий.

Статья под названием «Прямое формирование магнитотвердого тетратенита в объемных отливках сплавов» опубликована в журнале Advanced Science. Cambridge Enterprise, подразделение университета по коммерциализации, и Австрийская академия наук подали заявку на патент на эту технологию.

Для построения экономики с нулевым выбросом углерода необходимы поставки высокопроизводительных магнитов. В настоящее время лучшие постоянные магниты, доступные на рынке, содержат редкоземельные элементы, которые, несмотря на свое название, в изобилии присутствуют в земной коре.

Однако существует проблема с обеспечением надежных поставок редкоземельных элементов, поскольку Китай контролирует большую часть мирового производства. Сообщалось, что в 2017 году 81% редкоземельных элементов во всем мире было получено из Китая. Есть и другие страны, которые добывают редкоземельные элементы, такие как Австралия, но с ростом геополитической напряженности в отношениях с Китаем нынешние поставки редкоземельных элементов могут оказаться под угрозой.

Профессор Линдси Грир из Кембриджского факультета материаловедения и металлургии заявил: «Залежи редкоземельных элементов существуют и в других местах, но добыча полезных ископаемых очень разрушительна, поскольку вам приходится добывать огромное количество материала, чтобы получить небольшой объем редкоземельных элементов.

«Из-за воздействия на окружающую среду и сильной зависимости от Китая ведется срочный поиск альтернативных материалов, не требующих редкоземельных элементов».

Одной из наиболее многообещающих альтернатив постоянным магнитам является тетратенит, железо-никелевый сплав с упорядоченной атомной структурой. Материал формируется в течение миллионов лет по мере медленного остывания метеорита. Это дает атомам железа и никеля достаточно времени, чтобы выстроиться в определенную последовательность укладки внутри кристаллической структуры, в результате чего получается материал с магнитными свойствами, подобными свойствам редкоземельных магнитов.

В 1960-х годах тетратенит был искусственно образован путем обработки нейтронами железо-никелевых сплавов, что позволило атомам сформировать желаемую упорядоченную структуру. Однако эта технология непригодна для массового производства.

«С тех пор ученые были очарованы получением этой упорядоченной структуры, но всегда казалось, что она находится очень далеко», — сказал Грир, который также руководил исследованием.

На протяжении многих лет многие ученые пытались получить тетратенит в промышленных масштабах, но это оказалось невозможным.

Теперь Грир и его коллеги из Австрийской академии наук и Монтануниверситета в Леобене нашли потенциальную альтернативу, позволяющую избежать этих крайних методов.

Команда изучила механические свойства железо-никелевых сплавов, содержащих небольшое количество фосфора, который присутствует в метеоритах. Внутри этих материалов находился узор из фаз, указывающий на ожидаемую древовидную структуру роста, называемую дендритами.

«Для большинства людей на этом все и закончилось бы: в дендритах не было ничего интересного, но когда я присмотрелся, я увидел интересную дифракционную картину, указывающую на упорядоченную атомную структуру», — сказал первый автор доктор Юрий Иванов, завершивший работу, пока в Кембридже и сейчас базируется в Итальянском технологическом институте в Генуе.

Первоначально дифракционная картина тетратенита выглядит как структура, ожидаемая для железо-никелевых сплавов, а именно: неупорядоченный кристалл, не представляющий интереса в качестве высокоэффективного магнита. При ближайшем рассмотрении Иванов определил тетратенит.