Computere skaber opskrift på to nye magnetiske materialer

Materialeforskere har forudsagt og bygget to nye magnetiske materialer, atom for atom, ved hjælp af beregningsmodeller med høj kapacitet. Succesen markerer en ny æra for det store design af nye magnetiske materialer med en hidtil uset hastighed.

Selvom der er masser af magneter i hverdagen, de er faktisk sjældenheder - kun omkring fem procent af kendte uorganiske forbindelser viser endda et strejf af magnetisme. Og af dem, bare et par dusin er nyttige i virkelige applikationer på grund af variation i egenskaber som effektivt temperaturområde og magnetisk permanentitet.

Den relative mangel på disse materialer kan gøre dem dyre eller vanskelige at opnå, får mange til at søge efter nye muligheder i betragtning af hvor vigtige magneter er i applikationer lige fra motorer til magnetiske resonansbilleddannende (MRI) maskiner. Den traditionelle proces involverer lidt mere end trial and error, som forskere producerer forskellige molekylære strukturer i håb om at finde en med magnetiske egenskaber. Mange højtydende magneter, imidlertid, er unikke særheder blandt fysiske og kemiske tendenser, der trodser intuition.

I en ny undersøgelse, materialeforskere fra Duke University giver en genvej i denne proces. De viser evnen til at forudsige magnetisme i nye materialer gennem computermodeller, der kan screene hundredtusinder af kandidater på kort tid. Og, for at bevise at det virker, de har skabt to magnetiske materialer, der aldrig er set før.

Resultaterne vises 14. april, 2017, i Videnskab fremskridt .

"At forudsige magneter er et pokker, og deres opdagelse er meget sjælden, "sagde Stefano Curtarolo, professor i maskinteknik og materialevidenskab og direktør for Center for Materials Genomics hos Duke. "Selv med vores screeningsproces, det tog mange års arbejde at syntetisere vores forudsigelser. Vi håber, at andre vil bruge denne fremgangsmåde til at skabe magneter til brug i en lang række applikationer. "

Gruppen fokuserede på en familie af materialer kaldet Heusler -legeringer - materialer fremstillet med atomer fra tre forskellige elementer arrangeret i en af ​​tre forskellige strukturer. I betragtning af alle de mulige kombinationer og arrangementer, der er tilgængelige ved hjælp af 55 elementer, forskerne havde 236, 115 potentielle prototyper at vælge imellem.

For at indsnævre listen, forskerne byggede hver prototype atom-for-atom i en beregningsmodel. Ved at beregne, hvordan atomerne sandsynligvis ville interagere, og den energi hver struktur ville kræve, listen faldt til 35, 602 potentielt stabile forbindelser.

Derfra, forskerne gennemførte en strengere test af stabilitet. Generelt sagt, materialer stabiliserer sig i arrangementet, der kræver den mindste mængde energi at vedligeholde. Ved at kontrollere hver forbindelse mod andre atomarrangementer og smide dem ud, der ville blive slået ud af deres konkurrence, listen skrumpede til 248.

Af de 248, kun 22 materialer viste et beregnet magnetisk moment. Det sidste snit tabte materialer med konkurrerende alternative strukturer for tæt på komfort, efterlader en sidste 14 kandidater at bringe fra teoretisk model ind i den virkelige verden.

Men som de fleste ting i et laboratorium viser sig, det er lettere sagt end gjort at syntetisere nye materialer.

"Det kan tage år at indse en måde at skabe et nyt materiale i et laboratorium, "sagde Corey Oses, en doktorand i Curtarolo laboratorium og anden forfatter på papiret. "Der kan være alle former for begrænsninger eller særlige forhold, der kræves for at et materiale kan stabilisere sig. Men at vælge mellem 14 er meget bedre end 200, 000. "

Til syntesen, Curtarolo og Oses henvendte sig til Stefano Sanvito, professor i fysik ved Trinity College i Dublin, Irland. Efter mange års forsøg på at skabe fire af materialerne, Sanvito lykkedes med to.

Begge var, som forudsagt, magnetisk.

Det første nymalte magnetiske materiale var lavet af kobolt, mangan og titanium (Co2MnTi). Ved at sammenligne de målte egenskaber for lignende strukturerede magneter, forskerne var i stand til at forudsige de nye magneters egenskaber med en høj grad af nøjagtighed. Af særlig opmærksomhed, de forudsagde temperaturen ved hvilken det nye materiale mistede sin magnetisme til at være 940 K (1232 grader Fahrenheit). Ved testning, den faktiske "Curie -temperatur" viste sig at være 938 K (1228 grader Fahrenheit) - et usædvanligt højt tal. Det her, sammen med dens mangel på sjældne jordarters elementer, gør det potentielt nyttigt i mange kommercielle applikationer.

"Mange højtydende permanente magneter indeholder sjældne jordartselementer, "sagde Oses." Og sjældne jordartsmaterialer kan være dyre og vanskelige at erhverve, især dem, der kun findes i Afrika og Kina. Søgningen efter magneter fri for sjældne jordartsmaterialer er kritisk, især da verden ser ud til at vige tilbage fra globaliseringen. "

Det andet materiale var en blanding af mangan, platin og palladium (Mn2PtPd), som viste sig at være en antiferromagnet, hvilket betyder, at dets elektroner er jævnt opdelt i deres justeringer. Dette får materialet til ikke at have noget eget indre magnetisk moment, men gør sine elektroner lydhøre over for eksterne magnetfelter.

Selvom denne ejendom ikke har mange applikationer uden for magnetfeltmåling, harddiske og Random Access Memory (RAM), disse typer magneter er ekstremt svære at forudsige. Alligevel, koncernens beregninger for dens forskellige ejendomme forblev spot on.

"Det er ikke ligegyldigt, om en af ​​disse nye magneter viser sig at være nyttig i fremtiden, "sagde Curtarolo." Evnen til hurtigt at forudsige deres eksistens er et stort kup og vil være uvurderligt for materialeforskere fremad. "