Исследователи обнаружили возможный новый метод изготовления высокоэффективных магнитов, используемых в ветряных турбинах и электромобилях, без использования редкоземельных элементов, добыча которых сильно влияет на экологию.
Команда из Кембриджского университета, работая с коллегами из Австрии, нашла новый способ сделать возможную замену редкоземельным магнитам: тетратаенит, «космический магнит», которому требуются миллионы лет, чтобы естественным образом сформироваться в метеоритах.
Предыдущие попытки получить тетратаенит в лаборатории основывались на непрактичных, сложных (экстремальных) методах. Но добавление самого обычного элемента — фосфора — может сделать так, что тетратаенит можно получить искусственно и в больших масштабах, без какой-либо специальной обработки или дорогостоящих методов.
Результаты опубликованы в журнале Advanced Science. Заявка на патент на эту технологию была подана компанией Cambridge Enterprise, подразделением университета по коммерциализации, и Австрийской академией наук.
Высокоэффективные магниты являются жизненно важной технологией для построения экономики с нулевым выбросом углерода, а лучшие постоянные магниты, доступные в настоящее время, содержат редкоземельные элементы. Несмотря на свое название, редкоземельные элементы в изобилии содержатся в земной коре. Тем не менее, Китай обладает почти монополией на мировое производство: в 2017 году 81% редкоземельных элементов во всем мире было получено из Китая. Другие страны, такие как Австралия, также добывают эти элементы, но по мере роста геополитической напряженности в отношениях с Китаем возникают опасения, что поставки редкоземельных элементов из Поднебесной могут оказаться под угрозой. По крайней мере, для потребителей на Западе.
«Месторождения редкоземельных элементов существуют и в других местах, но добыча полезных ископаемых очень разрушительна: вам нужно извлечь огромное количество материала, чтобы получить небольшой объем редкоземельных элементов», — сказал профессор Линдси Грир из факультета материаловедения и металлургии Кембриджа, который руководил исследованием.
Из-за воздействия на окружающую среду и сильной зависимости от Китая был предпринят срочный поиск альтернативных материалов, которые не требуют редкоземельных элементов.
Тетратаенит, железоникелевый сплав с особой упорядоченной атомной структурой, является одной из наиболее перспективных из этих альтернатив. Тетратаенит образуется в течение миллионов лет по мере медленного охлаждения метеорита, давая атомам железа и никеля достаточно времени, чтобы упорядочиться в определенной последовательности внутри кристаллической структуры, в конечном итоге в результате получается материал с магнитными свойствами, приближающимися к свойствам редкоземельных элементов и может использоваться для изготовления высокоэффективных магнитов.
В 1960-х годах ученым удалось искусственно сформировать тетратаенит путем бомбардировки железоникелевых сплавов нейтронами, что позволило атомам сформировать желаемую упорядоченную структуру, но этот метод не подходит для массового производства из-за сложности и дороговизны.
«С тех пор ученые были очарованы получением этой упорядоченной структуры, но это всегда казалось чем-то очень далеким«, — сказал Грир. Несмотря на многочисленные попытки на протяжении многих лет, до сих пор не удалось получить тетратаенит способом и в количестве, приближающемся к промышленному масштабу.
Теперь Грир и его коллеги из Австрийской академии наук и Университета в Леобене нашли возможную альтернативу, которая не требует миллионов лет охлаждения или нейтронного облучения.
Команда изучала механические свойства железоникелевых сплавов, содержащих небольшое количество фосфора, элемента, который также присутствует в метеоритах. Структура фаз внутри этих материалов показала ожидаемую древовидную структуру роста, называемую дендритами.
«Для большинства людей на этом бы все и закончилось: в дендритах не было ничего интересного, но когда я присмотрелся повнимательнее, я увидел интересную дифракционную картину, указывающую на упорядоченную атомную структуру», — сказал первый автор доктор Юрий Иванов, который завершил работу в Кембридже и сейчас работает в Итальянском институте технологического института в Генуе.
На первый взгляд дифракционная картина тетратаенита похожа на структуру, ожидаемую для железоникелевых сплавов, а именно неупорядоченный кристалл, не представляющий интереса в качестве высокоэффективного магнита. Иванову потребовались специальные дополнительные исследования, чтобы идентифицировать тетратаенит, но даже в этом случае Грир говорит, что странно, что никто не заметил его раньше.
Исследователи говорят, что фосфор, который присутствует в метеоритах, позволяет атомам железа и никеля двигаться быстрее, позволяя им формировать необходимую упорядоченную структуру, не дожидаясь миллионов лет. Смешивая железо, никель и фосфор в нужных количествах, они смогли ускорить образование тетратаенита на 11-15 порядков, так что при простом литье он образуется за несколько секунд.
«Что было самым удивительным, так это то, что никакой специальной обработки не требовалось: мы просто расплавили металл, вылили его в форму, и у нас получился тетратаенит», — сказал Грир.
Предыдущая точка зрения в этой области заключалась в том, что вы не сможете получить тетратаенит, если не предпримете что-то экстремальное, так как в противном случае вам пришлось бы ждать миллионы лет, пока он образуется. Этот результат представляет собой полный отказ от того, как мы думаем об этом материале.
Хотя исследователи нашли многообещающий метод получения тетратаенита, необходима дополнительная работа, чтобы определить, на сколько он пригоден для массового производства высокоэффективных магнитов. Команда надеется поработать над этим вопросом с крупными производителями магнитов.
Эта работа может также заставить пересмотреть взгляды на то, действительно ли образование тетратаенита в метеоритах занимает миллионы лет.
Использованы материалы:
https://phys.org/news/2022-10-approach-cosmic-magnet-reliance-rare.html
