在材料科學(xué)領(lǐng)域取得的一項新進展，為開發(fā)新一代高性能磁體提供了可能。SKIF集體使用中心同步加速器研究部的高級研究員米哈伊爾·普拉圖諾夫，提出了一種創(chuàng)新的磁性增強方法。該方法通過在晶格中精準替換3d金屬離子，從而顯著提升了單晶的磁性。這項研究成果不僅為制造無需昂貴稀土元素的磁體開辟了新途徑，還展示了在電子、能源和空間技術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。

SKIF集體使用中心同步加速器研究部高級研究員米哈伊爾·普拉圖諾夫(Mikhail Platunov)。照片：Vladislav Nekrasov

普拉圖諾夫及其團隊的研究結(jié)果已近期在國際知名期刊《無機學(xué)》(MDPI)和《Materialia》(Elsevier)上發(fā)表。研究指出，通過針對性地在晶體結(jié)構(gòu)中替換特定離子，可以有效控制材料的磁特性。這一發(fā)現(xiàn)對于克服當前稀土磁鐵在資源獲取、環(huán)境風(fēng)險和地緣政治依賴等方面的局限性具有重要意義。

永磁體作為現(xiàn)代技術(shù)的基石，無需外部磁場即可保持磁化狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于從電子存儲設(shè)備到風(fēng)力發(fā)電機的各個領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)稀土磁鐵如釹、鐠和鏑磁鐵的制造依賴于稀土元素，這些元素的開采和加工不僅成本高，還伴隨著嚴重的環(huán)境污染問題。此外，全球稀土資源的分布不均，特別是中國占據(jù)主導(dǎo)地位，使得全球磁鐵行業(yè)面臨市場和地緣政治風(fēng)險。

針對這一挑戰(zhàn)，普拉圖諾夫團隊探索了不含稀土元素的替代材料。他們利用具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的礦物硼鐵礦作為模型，通過在晶格特定位置替換原子，顯著改善了材料的磁性。實驗數(shù)據(jù)顯示，這種方法不僅提高了磁轉(zhuǎn)變溫度70開爾文以上，還使得矯頑場在低溫下達到了9特斯拉以上的值，遠超常見稀土磁體的4至6.5特斯拉。

圖示說明了鈷離子取代鐵離子的控制方法和原理，從而導(dǎo)致矯頑力的增加。繪圖：M. Platunov

“我們研究了原子電荷排序?qū)︹掕F礦模型單晶及其改良成分的磁性的影響，并利用同步加速器技術(shù)深入分析了3d金屬離子分布對材料磁性的影響。”普拉圖諾夫博士表示，“實驗數(shù)據(jù)證實了不同磁性亞晶格間的相互作用對材料最終特性的顯著影響。”

此外，這項研究還為科研團隊能力的培養(yǎng)和復(fù)雜同步加速器技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。普拉圖諾夫補充說：“我們希望這些技術(shù)能夠在2019年SKIF同步加速器投入使用后在俄羅斯得到廣泛應(yīng)用，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新。”

這項工作得到了俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)與高等教育部的支持，并在獨特的科學(xué)設(shè)施“EXAFS光譜站”的現(xiàn)代化和研究項目框架內(nèi)開展。這一研究成果不僅為高性能磁體的開發(fā)提供了新的思路，也為解決稀土資源依賴和環(huán)境問題提供了可行的解決方案。