Ukryta słabość zielonej rewolucji
Najwydajniejsze silniki w samochodach elektrycznych oraz generatory w turbinach wiatrowych potrzebują niezwykle silnych magnesów stałych. Ich kluczowym składnikiem są metale ziem rzadkich, takie jak neodym czy dysproz. Nazwa jest myląca, wszak pierwiastki te nie są szczególnie rzadkie, lecz ich złoża są skoncentrowane w kilku regionach świata, a proces wydobycia i przetwarzania okazuje się wyjątkowo szkodliwy dla środowiska. To tworzy ryzyko zarówno ekologiczne, jak i polityczne, uzależniając kluczowe gałęzie gospodarki od niestabilnych łańcuchów dostaw.
Czytaj też: Najcenniejszy pierwiastek świata znaleziony w USA. Ta substancja może zmienić przyszłość energetyki
Podstawowym wyzwaniem w poszukiwaniu zamienników była potrzeba zachowania tzw. anizotropii magnetycznej. To właśnie ona pozwala magnesowi utrzymać swoją polaryzację pod wpływem zewnętrznych pól i wysokich temperatur. Dotychczasowe próby stworzenia materiałów bez metali ziem rzadkich kończyły się uzyskaniem komponentów o znacząco gorszych parametrach, przez co nie nadawały się one do wymagających zastosowań przemysłowych.
Stopy wysokiej entropii z borem
Zespół badawczy z Georgetown postanowił odejść od konwencjonalnego myślenia. Zamiast szukać pojedynczego „cudownego” pierwiastka, jego członkowie skierowali swoją uwagę na stopy wysokiej entropii. To materiały zbudowane z pięciu lub więcej różnych metali zmieszanych w mniej więcej równych proporcjach, które tworzą unikalne struktury niedostępne dla tradycyjnych stopów. Przełom nastąpił po dodaniu boru. Ten powszechny i tani pierwiastek pozwolił na uformowanie się specyficznej struktury krystalicznej, która jest niezbędna do uzyskania silnej anizotropii. Do badań wykorzystano szeroko dostępne metale przejściowe: żelazo, kobalt, nikiel i mangan. Synteza setek różnych kompozycji była możliwa dzięki zaawansowanej metodzie napylania kombinatorycznego, która przypomina nieco wysokotechnologiczne gotowanie. To jak szukanie idealnego przepisu spośród tysięcy możliwych kombinacji składników.
Oferujemy zrównoważone podejście do tworzenia silnych magnesów, które mogą być wykorzystane w wielu zastosowaniach, od przyszłych nośników danych magnetycznych po magnesy stałe. Co ważniejsze, wskazuje to na potencjał zmniejszenia zależności od krytycznych materiałów – tłumaczy Kai Liu z Georgetown University
Zaskakujące wyniki badań
Wyniki pomiarów zaskoczyły samych naukowców. Otrzymane cienkie warstwy stopów borowych wykazały wartość anizotropii magnetycznej porównywalną z tą, którą obserwuje się w najlepszych magnesach na bazie metali ziem rzadkich. Co istotne, był to wynik lepszy niż kiedykolwiek odnotowany dla materiałów wolnych od tych pierwiastków. Obliczenia teoretyczne potwierdziły, że tak dobre właściwości nie są dziełem przypadku, lecz wynikają ze specyficznej struktury elektronowej precyzyjnie dobranego stopu. Na razie technologia istnieje w formie mikroskopijnie cienkich warstw, co otwiera drogę np. dla nowej generacji pamięci masowych. Prawdziwa rewolucja nastanie wtedy, gdy uda się odtworzyć te właściwości w materiałach objętościowych, z których można będzie formować pełnowymiarowe magnesy dla przemysłu. Wówczas perspektywa produkcji silników czy generatorów bez surowców krytycznych stanie się realna.
Czytaj też: Amerykanie patrzą na polskie złoża. Chodzi o ogromne ilości cennych metali
Korzyści wykraczają daleko poza samą technikę. Ograniczenie zależności od metali ziem rzadkich oznacza mniejsze napięcia geopolityczne, większą stabilność łańcuchów dostaw oraz redukcję najbardziej inwazyjnych dla przyrody kopalń. To zmiana o charakterze systemowym. Badacze nie spoczywają na laurach. Zapowiadają dalsze prace z wykorzystaniem algorytmów uczenia maszynowego, które mogą znacznie przyspieszyć proces odkrywania kolejnych, jeszcze lepszych kompozycji materiałowych. Daje to nadzieję, że laboratoryjny sukces przełoży się z czasem na komercyjne rozwiązania. Odkrycie z Georgetown pokazuje, iż rozwiązanie złożonych problemów często wymaga radykalnej zmiany perspektywy. Stopy wysokiej entropii, będące dotąd ciekawostką laboratoryjną, mogą okazać się kluczem do bardziej odpornej i zrównoważonej przyszłości technologicznej.