Компьютеры создали рецепт для двух новых магнитных материалов

Материаловеды предсказали и разработали два новых магнитных материала с использованием возможностей высокопроизводительного компьютерного моделирования. Этот успех открывает новую эру для значительных крупномасштабных разработок новых магнитных материалов. Хотя магниты применяются нами в повседневной жизни, они являются редкостью – только около 5% известных неорганических соединений проявляют магнитные свойства. Но даже из этих 5 % только малая часть реально используется человеком из-за разнообразия свойств, таких как эффективный температурный диапазон и магнетическое постоянство. Magnet materials Нехватка подобных материалов может сделать их дорогими или трудно применимыми, что затруднит проведение исследований новых возможностей. В настоящее время магниты получили широкое применение в моторах или магниторезонансных томографах. Традиционный процесс создания магнитных материалов осуществляется методом проб и ошибок. Поэтому исследователи производят различные молекулярные структуры в надежде найти одно из магнитных свойств и на их основе разработать новое соединение.

В новом исследовании ученые-материаловеды из Университета Duke продвинулись вперед в этом вопросе. Они продемонстрировали способность предсказывать магнетизм в новых материалах с использованием компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование может формировать сотни тысяч вариантов соединений атомов за короткий промежуток времени. Для доказательства работоспособности и практического применения своего метода они создали 2 материала, обладающих магнетическими свойствами.

Результаты исследований опубликованы 14 апреля 2017 года в журнале Science Advances. «Предсказывание магнетических свойств является основой их работы и их открытие является очень важным», - говорит Стефано Куртароло, профессор машиностроения и материаловедения и директор Центра изучения материалов Университета Duke. «С использованием существующих методов потребуются годы, чтобы предсказать наличие подобных свойств у материалов. Мы надеемся, что другие будут использовать этот подход для создания магнитов широкого применения».

Группа исследователей сосредоточилась на семействе материалов, называемом сплавами Хеслера. Это материалы, изготовленные из трех различных элементов, соединенных в одну из трех различных структур. Рассматривая все возможные комбинации и расположения, используя 55 элементов, исследователи должны были рассмотреть 236 511 потенциальных вариантов материалов.

Для уменьшения списка исследователи построили каждый прототип с использованием компьютерного моделирования. Вычислив параметры взаимодействия атомов и энергии, которая необходима каждой структуре, ученые сократили список до 35 602 потенциально стабильных соединений. Далее был проведен более строгий тест на стабильность. Вообще говоря, для стабилизации материалов в необходимом состоянии требуется определённое количество энергии. Проверяя каждое соединение на предмет воздействия других атомных соединений и отбрасывая те, которые могут быть разрушены при этом взаимодействии, список был сокращен до 248 соединений.

Из этих 248 соединений только 22 материала показали расчетный магнитный момент. В результате компьютерного моделирования из 22 материалов осталось 14, из которых можно получить физическую модель. Но синтезировать новый материал на словах гораздо легче, чем сделать это на деле. «Реализация пути создания нового материала в лаборатории может занять годы», - говорит Кори Осес, доцент лаборатории Куртароло и соавтор статьи. «Существует большое количество ограничений и специальных условий, которые необходимо выполнить для стабилизации материала. Но выбор материала из 14 соединений имеет больше шансов на успех, чем выбор более чем из 200 000».

Для проведения исследований Куртароло и Осес обратились к Стефано Санвито, профессору физики в Тринити Колледж (Дублин, Ирландия). После нескольких лет попыток создания 4 подобных материалов, Санвито удалось создать только 2. Но эти два, как и ожидалось, обладают магнитными свойствами. Первый произведенный магнитный материал сделан из кобальта, магния и титана (Co2MnTi.) Сравнивая измеренные свойства магнитов с аналогичной структурой, исследователи имели возможность предсказать новые магнитные свойства с большой степенью вероятности. К слову, они предсказали температуру, при которой новый материал теряет свои магнитные свойства. По их оценке она равна 940 К (1232 градуса по фаренгейту). При тестировании температурный максимум оказался на уровне 938 К (1228 градусов по Фаренгейту). Подобное свойство делает исключительно полезным открытый элемент в промышленном производстве. «Многие высокопроизводительные постоянные магниты содержат редкие земельные металлы», - говорит Осес. «А земельные металлы достаточно дорого и сложно добывать, причем их можно найти только в Африке и Китае».

Второй материал состоит из марганца, платины и палладия (Mn2PtPd), который является неферромагнетиком. Это означает, что его электроны равномерно распределены по энергетическим уровням. Поэтому материал не имеет внутреннего магнитного момента, но его электроны восприимчивы к внешнему магнитному полю. Пока указанное свойство не имеет широкого применения, за исключением устройств определения магнитного поля, жестких дисков компьютеров и плат памяти, эти типы магнитов являются очень сложными для синтезирования.

«На самом деле совсем неважно, найдут ли новые магниты широкое применение в будущем», - говорит Куртароло. «Способность быстро предсказать присутствие магнитных свойств является главным событием и будет неоценимым вкладом в будущее материаловедения».

Назад

Не менее интересно