Materialforskare har förutspått och byggt två nya magnetiska material, atom för atom, med beräkningsmodeller med hög genomströmning. Framgången markerar en ny era för storskalig design av nya magnetiska material med oöverträffad hastighet.

Även om magneter finns i överflöd i vardagen, de är faktiskt rariteter - bara cirka fem procent av kända oorganiska föreningar visar ens en antydan till magnetism. Och av dem, bara några dussin är användbara i verkliga tillämpningar på grund av variationer i egenskaper som effektivt temperaturområde och magnetisk beständighet.

Den relativa bristen på dessa material kan göra dem dyra eller svåra att få tag på, leder till att många söker efter nya alternativ med tanke på hur viktiga magneter är i applikationer som sträcker sig från motorer till maskiner för magnetisk resonanstomografi (MRI). Den traditionella processen innebär inte mycket mer än försök och misstag, eftersom forskare producerar olika molekylära strukturer i hopp om att hitta en med magnetiska egenskaper. Många högpresterande magneter, dock, är sällsynta märkligheter bland fysiska och kemiska trender som trotsar intuition.

I en ny studie, materialforskare från Duke University ger en genväg i denna process. De visar förmågan att förutsäga magnetism i nya material genom datormodeller som kan screena hundratusentals kandidater på kort tid. Och, för att bevisa att det fungerar, de har skapat två magnetiska material som aldrig har setts förut.

Resultaten visas 14 april, 2017, i Vetenskapens framsteg .

"Att förutsäga magneter är ett jäkla jobb och deras upptäckt är mycket sällsynt, sa Stefano Curtarolo, professor i maskinteknik och materialvetenskap och chef för Center for Materials Genomics vid Duke. "Även med vår screeningprocess, det tog år av arbete att syntetisera våra förutsägelser. Vi hoppas att andra kommer att använda detta tillvägagångssätt för att skapa magneter för användning i ett brett spektrum av applikationer."

Gruppen fokuserade på en familj av material som kallas Heusler-legeringar - material gjorda av atomer från tre olika element arrangerade i en av tre distinkta strukturer. Med tanke på alla möjliga kombinationer och arrangemang som är tillgängliga med 55 element, forskarna hade 236, 115 potentiella prototyper att välja mellan.

För att begränsa listan, forskarna byggde varje prototyp atom för atom i en beräkningsmodell. Genom att beräkna hur atomerna sannolikt skulle interagera och den energi varje struktur skulle kräva, listan minskade till 35, 602 potentiellt stabila föreningar.

Därifrån, forskarna genomförde ett strängare test av stabilitet. Generellt, material stabiliseras i arrangemanget som kräver minsta mängd energi för att underhålla. Genom att kontrollera varje förening mot andra atomarrangemang och kasta ut de som skulle slås ut av deras konkurrenter, listan krympte till 248.

Av dessa 248, endast 22 material visade ett beräknat magnetiskt moment. Det sista snittet tappade alla material med konkurrerande alternativa strukturer för nära för komfort, lämnar de sista 14 kandidaterna att ta med sig från teoretisk modell till den verkliga världen.

Men som det mesta i ett laboratorium visar sig, att syntetisera nya material är lättare sagt än gjort.

"Det kan ta år att inse ett sätt att skapa ett nytt material i ett labb, sa Corey Oses, en doktorand i Curtarolos laboratorium och andra författare på papperet. "Det kan finnas alla typer av begränsningar eller speciella förhållanden som krävs för att ett material ska stabiliseras. Men att välja mellan 14 är mycket bättre än 200, 000."

För syntesen, Curtarolo och Oses vände sig till Stefano Sanvito, professor i fysik vid Trinity College i Dublin, Irland. Efter år av försök att skapa fyra av materialen, Sanvito lyckades med två.

Båda var, som förutspått, magnetisk.

Det första nypräglade magnetiska materialet var gjord av kobolt, mangan och titan (Co2MnTi). Genom att jämföra de uppmätta egenskaperna hos liknande strukturerade magneter, forskarna kunde förutsäga den nya magnetens egenskaper med en hög grad av noggrannhet. Särskilt anmärkningsvärt, de förutspådde temperaturen vid vilken det nya materialet förlorade sin magnetism till 940 K (1232 grader Fahrenheit). Vid testning, den faktiska "Curie-temperaturen" visade sig vara 938 K (1228 grader Fahrenheit) – en exceptionellt hög siffra. Detta, tillsammans med dess brist på sällsynta jordartsmetaller, gör det potentiellt användbart i många kommersiella tillämpningar.

"Många högpresterande permanentmagneter innehåller sällsynta jordartsmetaller, ", sa Oses. "Och sällsynta jordartsmetaller kan vara dyra och svåra att skaffa, särskilt de som bara finns i Afrika och Kina. Sökandet efter magneter fria från sällsynta jordartsmetaller är avgörande, speciellt som världen verkar dra sig undan globaliseringen."

Det andra materialet var en blandning av mangan, platina och palladium (Mn2PtPd), som visade sig vara en antiferromagnet, vilket betyder att dess elektroner är jämnt uppdelade i sina linjer. Detta leder till att materialet inte har något eget inre magnetiskt moment, men gör dess elektroner känsliga för yttre magnetfält.

Även om den här egenskapen inte har många tillämpningar utanför magnetfältsavkänning, hårddiskar och Random Access Memory (RAM), dessa typer av magneter är extremt svåra att förutsäga. Ändå, koncernens beräkningar för dess olika fastigheter förblev perfekt.

"Det spelar egentligen ingen roll om någon av dessa nya magneter visar sig vara användbar i framtiden, ", sa Curtarolo. "Förmågan att snabbt förutsäga deras existens är en stor kupp och kommer att vara ovärderlig för materialforskare som går framåt."