Enkristaller av CeCo 3 syntetiseras genom lösningstillväxtmetod. Kredit:Andriy Palaysuik
Från datorhårddiskar och smarttelefoner till hörlurar och elmotorer, magneter är i framkant av dagens teknik. Magneter som innehåller sällsynta jordartsmetaller är bland de mest kraftfulla som finns, gör att många vardagsföremål kan bli allt mindre. Men sällsynta jordartsmetaller kan vara svåra att få tag på, med tanke på antingen deras brist eller det utmanande geopolitiska klimatet i några av de nationer där de bryts. Nu, Forskare har identifierat magneter baserade på mer lättillgängliga sällsynta jordartsmetaller, samt några lovande magneter som inte innehåller dessa material alls.
Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.
"Vi har utvecklat nya sätt att bättre förutsäga vilka material som gör bra magneter, säger Thomas Lograsso, Ph.D., som ledde laget. "Experimentellt, vi kan "rehabilitera" näramagnetiska system, kallas paramagneter. Vi börjar med legeringar eller föreningar som har alla de rätta egenskaperna för att vara ferromagnetiska i rumstemperatur. Många gånger, dessa material har höga andelar järn eller kobolt."
Paramagneter är material som är svagt attraherade av ett magnetfält och som inte är permanent magnetiserade. Men genom att lägga till legeringar, paramagneter har omvandlats till ferromagneter, eller vanliga permanentmagneter, som metallytan på ett kylskåp. Lograssos team vid Critical Materials Institute vid Ames Laboratory har hittills identifierat två lovande kandidater med denna "rehabiliterande" metod, och båda är former av ceriumkobolt:CeCo 3 och CeCo 5 . Även om cerium kallas ett sällsynt jordartsmetall, det är mycket rikligt och lätt att få tag på.
Tidigare arbete på CeCo 3 visade att den uppvisade klassiskt paramagnetiskt beteende. Beräkningar förutspådde att genom att tillsätta magnesium, paramagnetisk CeCo 3 kan omvandlas till en ferromagnet. Dessa förutsägelser har validerats experimentellt, Lograsso säger, och denna egenskap har observerats vid mätningar av enkristaller av föreningen.
CeCo 5 är en stark ferromagnet. Forskarna kombinerade teoretiska beräkningar med experiment med hög genomströmning för att nollställa den exakta mängden koppar och järn att lägga till som skulle optimera föreningens ferromagnetism. Med dessa tillsatser, teamet räknar med att CeCo 5 skulle någon dag kunna användas i stället för de starkaste sällsynta jordartsmagneterna som innehåller neodym (Nd) och dysprosium (Dy), vilket minskar efterfrågan på dessa kritiska element. Lograsso och kollegor fortsätter att undersöka andra liknande metaller som kan läggas till CeCo 5 för att ytterligare förbättra dess lämplighet som ett livskraftigt substitut för Nd- och Dy-magneter.
"Ersätter sällsynta jordartsmagneter, som är mycket efterfrågade, skulle vara idealiskt, både ekonomiskt och miljömässigt, ", säger Lograsso. "Även om våra modifierade cerium-koboltföreningar inte är lika kraftfulla som sällsynta jordartsmagneter, de kan fortfarande vara mycket värdefulla för vissa kommersiella tillämpningar. Så, vårt mål är att matcha rätt magnetmaterial till en specifik applikation - en så kallad "Goldilocks" icke-sällsynt jordartsmagnet."
För detta ändamål, gruppen fortsätter att använda sin strategi för att optimera nyckelegenskaperna hos dåliga magneter eller icke-magneter för att omvandla dem till alternativ som är helt fria från sällsynta jordartsmetaller. Till exempel, de använder nu kobolt för att optimera prestanda för järn germanium, Fe 3 Ge. Den resulterande föreningens höga magnetisering är jämförbar med de bästa Nd-baserade magneterna. Denna strategi är inte bara begränsad till Fe 3 Ge och appliceras på andra lovande sällsynta jordartsmetaller för att selektivt förbättra magnetegenskaper.
