Dårligt guld kan trods alt være værdifuldt

I et banebrydende nyt studie, forskere og ingeniører ved University of Minnesota har elektrisk transformeret det rigelige og billige ikke-magnetiske materiale jernsulfid, også kendt som "narre guld" eller pyrit, til et magnetisk materiale.

Det er første gang, at videnskabsmænd nogensinde har omdannet et fuldstændig ikke-magnetisk materiale til et magnetisk, elektrisk, og det kan være det første skridt i at skabe værdifulde nye magnetiske materialer til mere energieffektive computerhukommelsesenheder.

Forskningen er publiceret i Videnskabens fremskridt , et peer-reviewed videnskabeligt tidsskrift udgivet af American Association for the Advancement of Science (AAAS).

"De fleste mennesker med viden om magnetisme vil nok sige, at det var umuligt elektrisk at omdanne et ikke-magnetisk materiale til et magnetisk. Da vi kiggede lidt dybere, imidlertid, vi så en potentiel rute, og fik det til at ske, " sagde Chris Leighton, den ledende forsker på undersøgelsen og en anerkendt professor ved McKnight University fra University of Minnesota ved Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab.

Leighton og hans kolleger, herunder Eray Aydil ved New York University og Laura Gagliardi (kemi) ved University of Minnesota, har studeret jernsulfid, eller "narre guld, " i mere end et årti til mulig brug i solceller. Især svovl er et meget rigeligt og billigt biprodukt af olieproduktion. Desværre, forskere og ingeniører har ikke fundet en måde at gøre materialet effektivt nok til at realisere billige, jordrige solceller.

"Vi gik virkelig tilbage til jernsulfidmaterialet for at prøve at finde ud af de grundlæggende vejspærringer for billige, ikke-giftige solceller, " sagde Leighton. "I mellemtiden, min gruppe arbejdede også i det nye område af magnetoionics, hvor vi forsøger at bruge elektriske spændinger til at kontrollere materialers magnetiske egenskaber til potentielle anvendelser i magnetiske datalagringsenheder. På et tidspunkt indså vi, at vi burde kombinere disse to forskningsretninger, og det gav pote."

Leighton sagde, at deres mål var at manipulere materialets magnetiske egenskaber med en spænding alene, med meget lidt elektrisk strøm, hvilket er vigtigt for at gøre magnetiske enheder mere energieffektive. Fremskridt til dato havde inkluderet at tænde og slukke for ferromagnetisme, den mest teknologisk vigtige form for magnetisme, i andre typer magnetiske materialer. Jernsulfid, imidlertid, gav mulighed for potentielt elektrisk inducering af ferromagnetisme i et helt umagnetisk materiale.

I undersøgelsen, forskerne brugte en teknik kaldet elektrolytport. De tog det ikke-magnetiske jernsulfidmateriale og satte det i en enhed i kontakt med en ionisk opløsning, eller elektrolyt, sammenlignes med Gatorade. De påførte derefter så lidt som 1 volt (mindre spænding end et husholdningsbatteri), flyttede positivt ladede molekyler til grænsefladen mellem elektrolytten og jernsulfidet, og induceret magnetisme. Vigtigere, de var i stand til at slukke for spændingen og returnere materialet til dets ikke-magnetiske tilstand, hvilket betyder, at de reversibelt kan tænde og slukke magnetismen.

"Vi var ret overraskede over, at det virkede, " sagde Leighton. "Ved at påføre spændingen, vi hælder i det væsentlige elektroner i materialet. Det viser sig, at hvis du får høje nok koncentrationer af elektroner, materialet ønsker spontant at blive ferromagnetisk, which we were able to understand with theory. This has lots of potential. Having done it with iron sulfide, we guess we can do it with other materials as well."

Leighton said they would never have imagined trying this approach if it wasn't for his team's research studying iron sulfide for solar cells and the work on magnetoionics.

"It was the perfect convergence of two areas of research, " han sagde.

Leighton said the next step is to continue research to replicate the process at higher temperatures, which the team's preliminary data suggest should certainly be possible. They also hope to try the process with other materials and to demonstrate potential for real devices.