Новое исследование может изменить нашу зависимость от редкоземельных металлов, предложив вместо них использовать магнетит — распространённый оксид железа — для создания компонентов, которые применяются в электродвигателях, МРТ-аппаратах и устройствах хранения данных.
Работа, проведённая учёными из Университета Техаса в Арлингтоне (UTA) и Национальных лабораторий Сандия, предлагает метод получения высокомагнитных структур на основе оксида железа (Fe₃O₄), не требующий редкоземельных элементов. Поскольку эти материалы становятся всё дороже и сложнее в добыче, а их поставки зависят от геополитической ситуации, открытие может стать важной альтернативой. Обычно магнетит не считается «жёстким» магнитным материалом. Хотя он обладает магнитными свойствами, его сила и стабильность уступают магнитам из редкоземельных элементов, таких как неодим. Такие магниты используются в электромобилях, жёстких дисках и других технологиях благодаря их высокой магнитной анизотропии — способности сохранять сильное магнитное поле без ослабления.
"Традиционно считалось, что высокая анизотропия возможна только в материалах с тяжёлыми элементами, такими как редкоземельные металлы", — говорит профессор физики UTA и руководитель исследования Цзинь Пин Лю. "Однако наше открытие создаёт новые возможности для производства более сильных магнитов без их использования".
В ходе исследования наночастицы магнетита диаметром всего 5 нанометров подвергались экстремальному давлению в алмазной наковальне — до 19 гигапаскалей, что в 180 000 раз превышает атмосферное давление. В результате хаотично расположенные частицы выстраивались в цепочки, напоминающие микроскопические провода. Именно эта перестройка структуры привела к усилению магнитных свойств. Измерения показали, что магнитная анизотропия новых структур увеличилась почти втрое, а коэрцитивная сила — способность сопротивляться размагничиванию — достигла 400 эрстед при низких температурах. Это сопоставимо с характеристиками некоторых редкоземельных магнитов, что делает магнетит перспективным материалом для технологий будущего.
Усиление свойств объясняется взаимодействием частиц: в цепочках их магнитные поля складываются, создавая общий эффект, превосходящий сумму отдельных компонентов. Компьютерное моделирование подтвердило, что такая «диполь-дипольная» связь между частицами и обеспечивает высокую анизотропию.
Спрос на мощные магниты растёт в электронике, электромобилях и системах хранения энергии, но добыча редкоземельных элементов сопряжена с экологическими и политическими рисками. Магнетит, как доступный и распространённый материал, мог бы стать устойчивой альтернативой.
Однако остаются проблемы. Во-первых, метод требует экстремального давления и контролируемых условий, что затрудняет масштабирование. Во-вторых, значительное усиление магнитных свойств наблюдалось при сверхнизких температурах (около 5 кельвинов), тогда как при комнатной температуре материал теряет стабильность.
Если дальнейшие исследования помогут преодолеть эти ограничения, это откроет путь к созданию дешёвых и экологичных магнитов для энергетики, транспорта и электроники, снизив зависимость от редкоземельных ресурсов без потери эффективности.
"Это может привести к появлению более мощных и доступных магнитов для жёстких дисков, электродвигателей и медицинских технологий", — отмечает Лю.