Teadlased valmistavad uusi komposiitmaterjale, tänu millele saaks töötada välja tugevamaid magneteid, millede valmistamiseks on tarvis väiksemas koguses haruldasi muldmetalle.
Tugevamad ja kergemad magnetid võivad turule jõuda juba paari järgmise aasta jooksul, tänu milledele saaks valmistada efektiivsemaid automootoreid ning tuulegeneraatoreid. Teadlased vajavad seesugust uut materjali, sest praegu kasutatavad parimad magnetid koosnevad paljuski haruldastest muldmetallidest e. lantanoididest, millede kättesaadavus nõudmise suurenedes üha väheneb.
Seetõttu töötavadki teadlased uute nanostruktuursete, tavapäraste magnetitega võrreldes vähem lantanoide sisaldavate magnetite valmistamise kallal. GE Global Research Team loodab uusi magnetmaterjale demonstreerida järgneva kahe aasta jooksul, kirjutab technologyreview.com.
Need helbekujulised nanoosakesed koosnevad neodüüm-raud-boor magnetmaterjalist. Pilt: Nanotechnology/IOP
Tugevaimad magnetid tuginevad haruldase muldmetalli neodüümi ning raua ja boori sulamile. Mõnikord lisavad magnetite valmistajad magnetite omaduste parandamiseks ka teisi lantanoide, näiteks düsproosiumi ja terbiumi. Nende kõigi kolme metalli tagavarad on aga suureneva nõudluse tõttu vähenemas, samuti ähvardab neid enim tootev riik Hiina ekspordi peatada.
Uute magnetmaterjalide loomine ei ole lihtne, sõnas George Hadjipanayis, Delaware’i Ülikooli füüsika ja astronoomia osakonna esimees. Hadjipanayis osales 1980ndatel ka neodüümi magnetite väljatöötamises. ,,Ehk meil tookord lihtsalt vedas,” sõnas ta. Varem valmistasid teadlased uusi magneteid sulamite kristalliseerimisel, mille käigus otsiti üha paremate omadustega vorme. Tulevikus seesugune lähenemine ei tööta. ,,Neodüüm-magnetite areng on lõppu jõudnud,” lausus Frank Johanson, kes juhib GE magnetite uurimise programmi. Hadjipanayis nõustub selle väitega: ,,tulevikulootus on nanokomposiitmaterjalid.”
Nanokomposiitmagnetit koosnevad praegu kasutatavate magnetite valmistamisel kasutatavate sulamite metallide nanoosakestest. Näiteks on neis neodüümi põhised nanoosakesed segatud kokku rauapõhiste nanoosakestega. Magneti need nanostruktuursed alad interakteeruvad, andes nii tavapärastest magnetsulamitest paremaid magnetilisi omadusi.
Nanokomposiitsete magnetite eelised on kahekordsed: lubatakse, et seesugused magnetid on sama kaalu juures palju tugevamad ning nende valmistamiseks kulub palju vähem haruldasi muldmetalle. Paremaid magnetilisi omadusi võimaldab pöördühenduseks nimetatav omadus. Seda kirjeldav füüsika on keeruline, kuid komposiidis aset leidev erinevate nanoosakeste ühendumine annab kokku magnetilised omadused, mis on suuremad kui materjali osade magnetiliste omaduste summa.
Pöördühendus puhastes magnetmaterjalides aset ei leia, kuid toimub tavalistes magnetites kasutatavate metallide nanoosakeste segusid sisaldavates komposiitmaterjalides. ,,Tugevamate magnetite eeliseks on see, et neid sisaldavad masinad saab valmistada väiksemate ja kergematena,” selgitas Johnson.
GE ei avalda, milliseid materjale nad täpselt magnetite valmistamiseks kasutavad või millised on nende tootmismeetodid, kuid Johnsoni sõnul tugineb firma meetoditele, mis nad teiste metallide jaoks varem välja on töötanud. Firma sõnul on suurimaks probleemiks suuremate magnetite tootmisele üleminek – siiani on suudetud valmistada vaid nanokomposiitide õhukesi kilesid. Suuremate magnetite tootmine saab olema keeruline, sest Hadjipanayis’i sõnul on kasutatavad materjalid omavahel kergesti reageerivad.
Uurimisgrupp teeb katseid paljude erinevate nanoosakestega, nende hulgas kombineeritakse omavahel näiteks neodüümil põhinevaid nanoosakesi rauapõhistega. Teiseks väljakutseks on nanoosakeste segu saamine, olles kindel, et nad on pöördühenduse tekkeks omavahel piisavas kontaktis. ,,Astume ühe sammu korraga,” võttis Hadjipanayis asja kokku.