"Kosmiczny magnes" może być przełomem w tworzeniu gospodarki niskoemisyjnej. Badania naukowców z Cambridge

Poprzednie próby wytworzenia tetrataenitu w laboratorium opierały się na niepraktycznych, ekstremalnych metodach. Jednak dodanie wspólnego pierwiastka - fosforu - może oznaczać, że możliwe jest wytworzenie tetrataenitu w sposób sztuczny i na skalę, bez specjalistycznej obróbki i drogich technik.

Wyniki zostały przedstawione w czasopiśmie Advanced Science. Wniosek patentowy dotyczący tej technologii został złożony przez Cambridge Enterprise, ramię Uniwersytetu zajmujące się komercjalizacją, oraz Austriacką Akademię Nauk.

Wysokowydajne magnesy

Wysokowydajne magnesy są technologią niezbędną do budowy gospodarki zeroemisyjnej, a najlepsze obecnie dostępne magnesy stałe zawierają pierwiastki ziem rzadkich. Pomimo swojej nazwy, pierwiastki ziem rzadkich występują w skorupie ziemskiej w dużych ilościach. Chiny mają jednak niemal monopol na globalną produkcję: w 2017 roku 81 proc. metali ziem rzadkich na świecie pochodziło z Chin. Inne kraje, takie jak Australia, również wydobywają te pierwiastki, ale wraz ze wzrostem napięć geopolitycznych z Chinami istnieją obawy, że dostawy metali ziem rzadkich mogą być zagrożone.

- Złoża ziem rzadkich istnieją gdzie indziej, ale operacje wydobywcze są wysoce zakłócające: trzeba wydobyć ogromną ilość materiału, aby uzyskać niewielką objętość ziem rzadkich - powiedział profesor Lindsay Greer z Cambridge's Department of Materials Science & Metallurgy, który prowadził badania. - Między wpływem na środowisko, a ciężką zależnością od Chin, nastąpiło pilne poszukiwanie alternatywnych materiałów, które nie wymagają ziem rzadkich - dodał.

Tetrataenit, stop żelaza i niklu o szczególnie uporządkowanej strukturze atomowej, jest jedną z najbardziej obiecujących z tych alternatyw. Tetrataenit tworzy się przez miliony lat, gdy meteoryt powoli stygnie, dając atomom żelaza i niklu wystarczająco dużo czasu na ułożenie się w określoną sekwencję w ramach struktury krystalicznej, co ostatecznie prowadzi do powstania materiału o właściwościach magnetycznych zbliżonych do tych, jakie posiadają magnesy ziem rzadkich.

W latach 60-tych naukowcy byli w stanie sztucznie utworzyć tetrataenit poprzez bombardowanie stopów żelaza i niklu neutronami, umożliwiając atomom uformowanie pożądanego uporządkowanego stosu, ale ta technika nie nadaje się do masowej produkcji.

Uporządkować strukturę

- Od tego czasu naukowcy byli zafascynowani uzyskaniem tej uporządkowanej struktury, ale zawsze czuło się to jak coś, co było bardzo odległe - powiedział Greer. Pomimo wielu prób podejmowanych na przestrzeni lat, do tej pory nie udało się wytworzyć tetrataenitu na cokolwiek zbliżonego do skali przemysłowej.

Teraz Greer i jego koledzy z Austriackiej Akademii Nauk i Montanuniversität w Leoben znaleźli możliwą alternatywę, która nie wymaga milionów lat chłodzenia ani napromieniowania neutronami.

Zespół badał właściwości mechaniczne stopów żelaza i niklu zawierających niewielkie ilości fosforu, pierwiastka, który jest również obecny w meteorytach. Wzór faz wewnątrz tych materiałów wykazywał oczekiwaną drzewiastą strukturę wzrostu zwaną dendrytami.

- Dla większości ludzi na tym by się skończyło: nic ciekawego do zobaczenia w dendrytach, ale kiedy przyjrzałem się bliżej, zobaczyłem interesujący wzór dyfrakcyjny wskazujący na uporządkowaną strukturę atomową - powiedział pierwszy autor dr Yurii Ivanov, który ukończył pracę będąc w Cambridge, a obecnie pracuje we Włoskim Instytucie Technologii w Genui.

Na pierwszy rzut oka wzór dyfrakcyjny tetrataenitu wygląda jak struktura oczekiwana dla stopów żelaza i niklu, czyli nieuporządkowany kryształ, który nie jest interesujący jako magnes o wysokiej wydajności. Dopiero bliższe spojrzenie Iwanowa pozwoliło zidentyfikować tetrataenit, ale i tak Greer mówi, że to dziwne, że nikt wcześniej tego nie zauważył.

Naukowcy twierdzą, że fosfor, który jest obecny w meteorytach, pozwala atomom żelaza i niklu poruszać się szybciej, umożliwiając im tworzenie niezbędnych uporządkowanych stosów bez czekania milionów lat. Mieszając żelazo, nikiel i fosfor w odpowiednich ilościach, byli w stanie przyspieszyć tworzenie tetrataenitu o 11 do 15 rzędów wielkości, w taki sposób, że tworzy się on w ciągu kilku sekund w zwykłym odlewie.

- To, co było tak zdumiewające, to fakt, że nie była potrzebna żadna specjalna obróbka: po prostu stopiliśmy stop, wlaliśmy go do formy i mieliśmy tetrataenit - powiedział Greer. - Poprzedni pogląd w tej dziedzinie był taki, że nie można uzyskać tetrataenitu, chyba że zrobi się coś ekstremalnego, ponieważ w przeciwnym razie trzeba by czekać miliony lat na jego uformowanie. Ten wynik stanowi całkowitą zmianę w tym, jak myślimy o tym materiale.

Chociaż badacze znaleźli obiecującą metodę produkcji tetrataenitu, potrzeba więcej pracy, aby określić, czy będzie on odpowiedni dla wysokowydajnych magnesów. Zespół ma nadzieję pracować nad tym z głównymi producentami magnesów.

• Sytuacja na rynku mieszkaniowym. Czy dalej opłaca się inwestować w nieruchomości?

PolskieRadio24.pl/ IAR/ Cambridge University/ mib