تم اكتشاف فئة جديدة من المغناطيسات القوية التي لا تحتوي على معادن أرضية نادرة

اكتشف علماء أمريكيون فئة جديدة من المغناطيسات القوية التي لا تحتوي على أتربة نادرة أو معادن ثمينة. يمكن لهذا الاختراق أن يسرع بشكل كبير تطوير تقنيات الطاقة النظيفة، بالإضافة إلى الإلكترونيات الاستهلاكية مثل المحركات والروبوتات وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وأنظمة التخزين والهواتف الذكية.

المعلمة الرئيسية للمغناطيس الحديدي هي قدرة المجالات المغناطيسية فيه على “تفضيل” اتجاه معين. وتسمى هذه الخاصية بالتباين المغناطيسي. واليوم، تعتمد معظم المواد متباينة الخواص المستخدمة في صناعة المغناطيس الدائم بشكل كبير على العناصر الأرضية النادرة، والتي تعتبر باهظة الثمن، وتضر بالبيئة بالنسبة للتعدين، كما أن إمداداتها معرضة للاضطرابات وعدم الاستقرار الجيوسياسي. بالنسبة لتطبيقات الأغشية الرقيقة، مثل الجيل الجديد من التسجيل المغناطيسي، غالبًا ما تستخدم سبائك الحديد والبلاتين. ولذلك فإن إيجاد بدائل فعالة من العناصر المتاحة على نطاق واسع أصبح تحديا علميا وتكنولوجيا هاما.

البورون والمعادن الانتقالية

قامت جامعة جورج تاون مؤخرًا بدراسة نوع جديد من المغناطيسات القوية المعتمدة على البوريدات ذات الإنتروبيا العالية. لا تحتوي هذه المركبات على أتربة نادرة ولا معادن ثمينة، ولكنها تحتوي فقط على معادن انتقالية وبورون متاحة على نطاق واسع.

وأوضح البروفيسور ليو كاي من قسم الفيزياء، وأحد كبار مؤلفي الدراسة: “نحن نقدم نهجًا مستدامًا بيئيًا لإنشاء مغناطيسات عالية الطاقة يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من وسائط التخزين المستقبلية إلى المغناطيس الدائم. والأهم من ذلك، أنها توفر الفرصة لتقليل الاعتماد على المواد الحرجة في إنتاج المغناطيس والأجهزة الأخرى”.

سبائك عالية الانتروبيا هي مواد تحتوي على خمسة عناصر أو أكثر بنسب متساوية تقريبًا. وفي الآونة الأخيرة، أصبحت منصة قوية لاكتشاف مواد جديدة. تتيح المساحة التركيبية الضخمة الخاصة بها الحصول على هياكل وخصائص إلكترونية جديدة. ومع ذلك، فإن معظم الأبحاث التي أجريت على هذه السبائك ركزت على الهياكل المكعبة المضطربة كيميائيًا، والتي لا تتناسب بشكل جيد مع إنتاج تباين مغناطيسي قوي، مما يتطلب قدرًا أقل من التماثل البلوري.

وقد تغلب الباحثون على هذا القيد من خلال التركيز على البوريدات ذات الإنتروبيا العالية، حيث يعزز البورون الترتيب الكيميائي، وتكوين الهياكل ذات التناظر المنخفض. لقد اختاروا بنية بلورية ذات تناظر رباعي الأضلاع، مثل المكعب الممدود على جانب واحد، والذي أطلقوا عليه اسم الطور C16. هذا الهيكل هو سمة من سمات البوريدات التي تتكون من عنصرين أو ثلاثة عناصر، ولكن لم تتم دراستها إلا قليلاً في المواد الأكثر تعقيدًا.

لدراسة خواص المواد، تم رش أنواع مختلفة من المواد على ركيزة ساخنة. شارك العلماء نتائج الدراسة على صفحات المجلة مواد متقدمة.

• اكتشاف فئة جديدة من المغناطيس القوي. أنتج الفريق بوريدات عالية الإنتروبيا في بنية C16 لأول مرة باستخدام معادن انتقالية ثلاثية الأبعاد متاحة (من الصف الأول من الكتلة d في الجدول الدوري)، وبالتالي خلق فئة جديدة من المواد المغناطيسية عالية الإنتروبيا المرتبة.
• تعزيز تباين الخواص بسبب الخلط الكيميائي. من خلال إدخال العديد من المعادن الانتقالية ثلاثية الأبعاد ودراسة التركيب بشكل منهجي باستخدام الرش التوافقي، حقق الباحثون تحسينات في الخواص المغناطيسية للمادة.
• سجل الأداء بدون العناصر الأرضية النادرة. تُظهِر تركيبات البوريد الجديدة المكونة من خمسة مكونات تباينًا مغناطيسيًا قويًا، قريبًا من المغناطيس الدائم للأرض النادرة، ويتجاوز القيم المُعلن عنها مسبقًا للمواد الأرضية النادرة ذات الإنتروبيا العالية.
• الاتساق بين النظرية والتجربة. أكدت الحسابات في إطار نظرية الكثافة الوظيفية الاتجاهات التجريبية وأظهرت أن سبب زيادة التباين يكمن في البنية الإلكترونية الأمثل، على وجه الخصوص، في تركيز إلكترونات التكافؤ والعزم المغناطيسي الفعال.

التطبيقات

وفقًا للمخترعين، فإن موادهم واعدة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب تباينًا عاليًا، مثل:

• وسائط التسجيل الحرارية,
• الإلكترونيات السبينية والوصلات المغناطيسية النفقية،
• مغناطيسات قوية غير مكلفة.

بعيدًا عن المغناطيسية، أظهر العمل الإمكانات الهائلة وغير المستكشفة إلى حد كبير للمواد ذات الإنتروبيا العالية كمنصة لاكتشاف خصائص وظيفية جديدة.