Хотя магниты изобилуют повседневной жизнью, они – на самом деле редкость – только приблизительно пять процентов известных неорганических комплексов показывают даже намек магнетизма. И тех, всего несколько дюжин полезны в реальных заявлениях из-за изменчивости в свойствах, таких как эффективный диапазон температур и магнитное постоянство.Относительный дефицит этих материалов может сделать их дорогими или трудными получить, принудив многих искать новые варианты, данные, как важные магниты находятся в заявлениях в пределах от двигателей к машинам магнитно-резонансной томографии (MRI). Традиционный процесс включает немного больше, чем метод проб и ошибок, поскольку исследователи производят различные молекулярные структуры в надежде на нахождение того с магнитными свойствами.
Много высокоэффективных магнитов, однако, являются исключительными причудами среди физических и химических тенденций, которые бросают вызов интуиции.В новом исследовании материаловеды из Университета Дюка обеспечивают короткий путь в этом процессе. Они показывают способность предсказать магнетизм в новых материалах через компьютерные модели, которые могут обследовать сотни тысяч кандидатов в быстром порядке. И, чтобы доказать это работает, они создали два магнитных материала, которые никогда не замечались прежде.
Результаты появляются 14 апреля 2017 в Научных Достижениях.«Предсказание магнитов является heck работы, и их открытие очень редко», сказал Стефано Куртароло, преподаватель машиностроения и материаловедения и директора Центра Геномики Материалов в Герцоге. «Даже с нашим процессом показа, потребовались годы работы, чтобы синтезировать наши предсказания.
Мы надеемся, что другие будут использовать этот подход, чтобы создать магниты для использования в широком спектре заявлений».Группа сосредоточилась на семье материалов под названием сплавы Heusler – материалы, сделанные с атомами из трех различных элементов, устроенных в одной из трех отличных структур. Считая все возможные комбинации и меры доступным использованием 55 элементов, у исследователей было 236 115 потенциальных прототипов, чтобы выбрать из.Чтобы сузить список, исследователи построили каждый атом атомом прототипа в вычислительной модели.
Вычисляя, как атомы, вероятно, взаимодействовали бы и энергия, которой потребует каждая структура, список истощился к 35 602 потенциально стабильным комплексам.Оттуда, исследователи провели более строгий тест на стабильность. Вообще говоря, материалы стабилизируются в договоренность, требующую наименьшего количества суммы энергии поддержать. Сравнивая каждый комплекс с другими атомными мерами и выбрасывая тех, которые были бы сбиты их соревнованием, список сократился к 248.
Из тех 248 только 22 материала показали расчетный магнитный момент. Окончательный вариант пропустил любые материалы с конкурирующими альтернативными структурами слишком близко для комфорта, оставив заключительные 14 кандидатами, чтобы принести из теоретической модели в реальный мир.
Но поскольку большинство вещей в лаборатории складывается, синтезирование новых материалов легче сказать чем сделать.«Могут потребоваться годы, чтобы понять способ создать новый материал в лаборатории», сказал Кори Озес, докторант в лабораторном и втором авторе Кертэроло на бумаге. «Могут быть все типы ограничений или особых условий, которые требуются для материала стабилизироваться. Но выбор от 14 намного лучше, чем 200 000».Для синтеза Curtarolo и Oses обратились к Стефано Санвито, преподавателю физики в Тринити-колледже в Дублине, Ирландия.
После лет попытки создать четыре из материалов, Санвито добился успеха с два.Оба были, как предсказано, магнитными.Первый недавно чеканивший магнитный материал был сделан из кобальта, магния и титана (Co2MnTi).
Сравнивая измеренные свойства столь же структурированных магнитов, исследователи смогли предсказать свойства нового магнита с высокой степенью точности. Особо значимый, они предсказали температуру, при которой новый материал потерял свой магнетизм, чтобы быть 940 K (1 232 градуса по Фаренгейту). В тестировании фактическая «Температура кюри» оказалась 938 K (1 228 градусов по Фаренгейту) – исключительно высокое количество. Это, наряду с его отсутствием элементов редкоземельных элементов, делает его потенциально полезным во многом коммерческом применении.
«Много высокоэффективных постоянных магнитов содержат элементы редкоземельных элементов», сказали Ose. «И материалы редкоземельных элементов могут быть дорогими и трудными приобрести, особенно те, которые могут только быть найдены в Африке и Китае. Поиск магнитов, свободных от материалов редкоземельных элементов, очень важен, тем более, что мир, кажется, уклоняется от глобализации».Второй материал был смесью марганца, платины и палладия (Mn2PtPd), который оказался антиферромагнетиком, означая, что его электроны равномерно разделены на их выравнивания.
Это принуждает материал не иметь никакого внутреннего магнитного собственного момента, но делает его электроны отзывчивыми к внешним магнитным полям.В то время как у этой собственности нет многих заявлений за пределами ощущения магнитного поля, жестких дисков и Запоминающего устройства с произвольным доступом (RAM), эти типы магнитов чрезвычайно трудно предсказать. Тем не менее, вычисления группы для ее различных свойств остались пятном на.
«Действительно не имеет значения, если любой из этих новых магнитов оказывается полезным в будущем», сказал Кертэроло. «Способность быстро предсказать их существование является основным переворотом и будет неоценима для материаловедов, продвигающихся».