Компьютеры создают рецепт для двух новых магнитных материалов: магниты, построенные атом за атомом, первая попытка в своем роде

Хотя магниты изобилуют в повседневной жизни, на самом деле они являются редкостью — только около пяти процентов известных неорганических соединений демонстрируют даже намек на магнетизм. И из них всего несколько десятков могут быть полезны в реальных приложениях из-за изменчивости таких свойств, как эффективный температурный диапазон и магнитная постоянство.Относительная нехватка этих материалов может сделать их дорогими или труднодоступными, что заставляет многих искать новые варианты, учитывая, насколько важны магниты в различных областях применения, от двигателей до аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Традиционный процесс включает в себя не более чем метод проб и ошибок, поскольку исследователи создают различные молекулярные структуры в надежде найти одну с магнитными свойствами. Однако многие высокоэффективные магниты представляют собой особую причуду среди физических и химических тенденций, не поддающуюся интуиции.В новом исследовании материаловеды из Университета Дьюка предлагают кратчайший путь к этому процессу. Они демонстрируют способность предсказывать магнетизм в новых материалах с помощью компьютерных моделей, которые могут в короткие сроки проверить сотни тысяч кандидатов.

И, чтобы доказать, что это работает, они создали два магнитных материала, которые раньше никогда не видели.Результаты появятся 14 апреля 2017 года в Science Advances.

«Прогнозирование магнитов — это чертовски трудная задача, и их открытие очень редко», — сказал Стефано Куртароло, профессор машиностроения и материаловедения и директор Центра геномики материалов в Duke. «Даже с учетом нашего процесса отбора потребовались годы работы, чтобы синтезировать наши прогнозы. Мы надеемся, что другие будут использовать этот подход для создания магнитов для использования в широком спектре приложений».

Группа сосредоточилась на семействе материалов, называемых сплавами Гейслера, — материалах, состоящих из атомов трех разных элементов, расположенных в одной из трех различных структур. Учитывая все возможные комбинации и схемы, доступные с использованием 55 элементов, у исследователей было 236 115 потенциальных прототипов на выбор.

Чтобы сузить список, исследователи построили каждый прототип атом за атомом в вычислительной модели. После расчета вероятного взаимодействия атомов и энергии, необходимой для каждой структуры, список сократился до 35 602 потенциально стабильных соединений.

Оттуда исследователи провели более строгий тест на стабильность. Вообще говоря, материалы стабилизируются в устройстве, требующем наименьшего количества энергии для поддержания.

Путем проверки каждого соединения на соответствие другим атомным расположениям и исключения тех, которые были бы побиты их конкурентами, список сократился до 248.Из этих 248 только 22 материала показали расчетный магнитный момент. В окончательной версии все материалы с конкурирующими альтернативными структурами были отброшены слишком близко для удобства, оставив 14 окончательных кандидатов, которые можно было перенести из теоретической модели в реальный мир.Но, как выясняется в лаборатории, синтез новых материалов легче сказать, чем сделать.

«Могут потребоваться годы, чтобы реализовать способ создания нового материала в лаборатории», — сказал Кори Осес, докторант лаборатории Куртароло и второй автор статьи. «Могут быть все типы ограничений или особых условий, которые требуются для стабилизации материала. Но выбор из 14 намного лучше, чем 200 000».

Для синтеза Куртароло и Осес обратились к Стефано Санвито, профессору физики в Тринити-колледже в Дублине, Ирландия. После нескольких лет попыток создать четыре материала, Санвито преуспел с двумя.Оба, как и предполагалось, были магнитными.

Первый новый магнитный материал был изготовлен из кобальта, магния и титана (Co2MnTi). Сравнивая измеренные свойства магнитов схожей структуры, исследователи смогли предсказать свойства нового магнита с высокой степенью точности.

Особо следует отметить, что они предсказали, что температура, при которой новый материал теряет свой магнетизм, составит 940 К (1232 градуса по Фаренгейту). При тестировании фактическая «температура Кюри» оказалась 938 К (1228 градусов по Фаренгейту) — исключительно высокое число. Это, наряду с отсутствием в нем редкоземельных элементов, делает его потенциально полезным во многих коммерческих приложениях.«Многие высокоэффективные постоянные магниты содержат редкоземельные элементы, — сказал Осес. «А редкоземельные материалы могут быть дорогими и труднодоступными, особенно те, которые можно найти только в Африке и Китае.

Поиск магнитов, не содержащих редкоземельные материалы, имеет решающее значение, особенно в связи с тем, что мир, похоже, уклоняется от глобализации. "Второй материал представлял собой смесь марганца, платины и палладия (Mn2PtPd), который оказался антиферромагнетиком, а это означает, что его электроны равномерно разделены в своей ориентации. Это приводит к тому, что материал не имеет собственного внутреннего магнитного момента, но заставляет его электроны реагировать на внешние магнитные поля.Хотя это свойство не имеет многих применений, кроме измерения магнитного поля, жестких дисков и оперативной памяти (ОЗУ), эти типы магнитов чрезвычайно трудно предсказать. Тем не менее, расчеты группы в отношении его различных свойств остались верными.

«На самом деле не имеет значения, окажется ли какой-либо из этих новых магнитов полезным в будущем», — сказал Куртароло. «Возможность быстро предсказать их существование — это крупный переворот, который будет неоценимым для продвигающихся вперед материаловедов».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *