ساخت دو ماده آهن ربایی جدید توسط دانشمندان

موادی که قابلیت آهن ربایی دارند از جمله موادی هستند که در صنعت کاربردهای وسیعی دارند. این عناصر بیشتر عناصر طبیعی هستند که معمولاً در طبیعت به ندرت یافت می شوند و دسترسی به آن ها بسیار محدود است. اما دانشمندان اخیراً موفق به یافتن راهی با استفاده از مدل سازی کامپیوتری برای ترکیب عناصر مختلف و تولید مواد آهن ربایی شده اند.

آهن ربا  جسمی است که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و برخی فلزات مانند آهن و نیکل را به خود جذب می‌کند.

سایت ری را در بخش علمی و فناوری شما را بیشتر با مقوله آهن ربا آشنا می کند.

آهن ربا چیست؟

آهن ربا  جسمی است که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و برخی فلزات مانند آهن و نیکل را به خود جذب می‌کند.

هر آهن ربا دو ناحیهٔ متمایز به نام «قطب» دارد که در آن‌ها شدت میدان مغناطیسی آهنربا بیشتر از سایر نقاط آن است.

یکی از قطب‌ها را «قطب شمال» (یا «قطب شمال‌یاب») و دیگری را «قطب جنوب» (یا «قطب جنوب‌یاب») می‌نامند. دو قطب همنام یکدیگر را «دفع» و دو قطب ناهمنام یکدیگر را «جذب» می‌کنند.

آهن رباها به دو دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند:

آهن رباهای الکتریکی که برای ایجاد میدان مغناطیسی به جریان الکتریکی خارجی نیاز دارند و آهن رباهای دائمی که برای ایجاد میدان مغناطیسی به توان خارجی نیاز ندارند.

برای ساختن آهن ربای دائمی، برخی مواد مانند آهن، نیکل و کبالت را در معرض میدان‌های مغناطیسی قرار می‌دهند تا خاصیت مغناطیسی پیدا کنند.

کاربرد آهن رباهای دائمی

پسماند

وقتی که ماده‌ای در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرد تا به آهن ربا تبدیل شود، پس از حذف میدان خارجی، مقداری از مغناطش خود را حفظ می‌کند. به این مغناطش باقیمانده در ماده، «پسماند» یا «پسماند مغناطیسی» گفته می‌شود.

هرچه پسماند بزرگتر باشد آهنربا قوی‌تر است.

وادارندگی

برای از بین بردن خاصیت مغناطیسی یک آهن ربا، باید آن را در معرض میدانی مغناطیسی با جهت مخالف قرار داد. میدان مغناطیسی لازم برای این کار را «وادارندگی» می‌نامند. هرچه وادارندگی بزرگتر باشد آهن ربا دائمی‌تر است.

برای کاربردهای گوناگون آهن رباها، به مقادیر مختلفی از پسماند و وادارندگی نیاز هست.

آهن رباهای دائمی در دنیای امروز کاربردهای وسیعی در موتورهای الکتریکی، ژنراتورهای برق، بلندگوها، میکروفون‌ها، حافظه‌های ذخیرهٔ اطلاعات دارند.

فرآیند تولید آهن رباها

از آن جایی که مواد مختلفی برای ساخت انواع مختلف آهن رباها مورد استفاده قرار می گیرند، فرآیندهای تولید آهن رباها هم متفاوت اند.

بسیاری از الکترومگنت ها با استفاده از تکنیک های استاندارد ریخته گری فلز ساخته می شوند. آهنرباهای دایمی انعطاف پذیر در یک فرایند اکستروژن پلاستیک شکل می گیرند.

در این فرایند مواد مخلوط می شوند، گرم می شوند و تحت فشار شکل می گیرند. برخی از آهن رباها با استفاده از یک فرایند متالورژی پودری اصلاح شده شکل می گیرند که در آن فلز پودری ریز تحت فشار، حرارت و نیروهای مغناطیسی قرار می گیرد تا آهنربای نهایی تشکیل شود.

هر چند سطح بسیاری از یخچال و فریزرها با مواد آهن ربایی پوشیده شده است اما ساخت این نوع مواد بسیار سخت و مشکل است. در واقع بر اساس گزارشات منتشر شده از دانشگاه Duke، تنها ۵ درصد از موادی که به عنوان آهن ربا شناخته می شوند، قابلیت مغناطیسی و جذب قوی دارند.

بنابراین به جای جستجو برای یافتن مواد آهن ربایی طبیعی، دانشمندان سعی کرده اند تا آهن ربایی قوی با استفاده از سنتز بر روی مواد مختلف بسازند. این دانشمندان با این روش موفق به ساخت دو ماده آهن ربایی مختلف با ویژگی های متفاوت شده اند.

برای روشن تر شدن موضوع، توجه به این نکته مهم است که تا پیش از این آهن رباهای زیادی در آزمایشگاه ها ساخته شده اند اما معمولاً فرآیندی که برای تبدیل موادی که قابلیت آهن ربا شدن دارند به آهن رباهای قوی طولانی است و از طرفی نیاز به علم و دانش بسیار دقیقی دارد.

اما محققان تیم تحقیقاتی DU برای ساخت آهن ربای قوی از کامپیوترها استفاده کرده اند.

آن ها در این روش از مدل های محاسباتی برای ایجاد تفاوت در ترتیب قرار گیری مولکول های مختلف در ساختار کلاسی از مواد به نام هاسلر الوی استفاده کرده اند.

مواد هاسلر الوی در واقع از سه عنصر مختلف که با روش های مختلفی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند تشکیل شده است. دانشمندان در ابتدای کار با ۵۵ عنصرمختلف با ساختار های مختلف روبرو بوده اند که می توانسته اند از آن ها برای ساخت آهن ربا استفاده کنند.

برای کوچک تر کردن محدوده عناصری که این محققان می توانسته اند ساخت آهن ربا از آن استفاده کنند، در ابتدای کار این محققان برای درک این موضوع که اتم های مختلف با ساختار های مختلف در مقابل یکدیگر چگونه واکنش نشان می دهند، از مدل سازی و مدل های مختلفی استفاده کرده اند.

با این روش آن ها توانستند تعداد ۵۵ عنصرکاندیدا در ساخت آهن ربا را به تعداد ۲۲ عنصر کاهش دهند. سپس این لیست ۲۲ موردی به ۱۴ مورد کاهش یافت.

در مرحله بعدی آن ها شروع به ساخت آهن رباهای مختلف با استفاده از ین ۱۴ عنصردر آزمایشگاه کردند. هر چند در این مرحله با چالش های زیادی روبرو بودند اما این مرحله یکی از ساده ترین مراحل بوده است.

به گفته کوری اوسس، دانشجوی دوره دکتری دانشگاه DU ساخت مواد جدید در آزمایشگاه می تواند سال ها به طول انجامد. در واقع برای ساخت یک ماده جدید نیاز به ساختارهای مختلف و همچنین شرایط خاصی وجود دارد.

اما هرچه محدوده عناصریی بالقوه در ساخت یک ماده مثل آهن ربا را کوچک تر کنیم روند ساخت ماده جدید کوتاه تر خواهد شد. برای مثال مسلماً زمان و روند ساخت ماده جدید با استفاده از ۱۴ ماده بسیار کوتاه تر از ساخت یک ماده با استفاده از ۲۰۰ هزار عنصراست.

کوری اوسس به همراه یکی از اساتید دانشگاه DU به نام استفانو سانویتو و عده ای دیگر از دانشجویان در حال کار بر روی این پروژه هستند. آن ها نتیجه گزارشات خود را در یکی از مجلات معتبر چاپ کرده اند.

تیم تحقیقاتی تحت سرپرستی سانویتو در نهایت بعد از سال ها تحقیق و پژوهش موفق به ساخت دو نوع ماده جدید با قابلیت آهن ربایی شده اند. در ماده آهن ربایی اول از ترکیب کبالت، منگنز و تیتیانیوم استفاده شده است.

این ماده جدید با نام اختصاری Co2MnTi شناخته می شود. این ماده تحمل دمای ۹۳۸ K و یا ۱۲۲۸ درجه فارنهایت را داشته است. ویژگی تحمل دمای بسیار بالا در این ماده باعث شده است تا این ماده به عنوان یک کاندیدای مناسب برای استفاده و کاربرد در صنعت انتخاب شود.

اما ماده آهن ربایی دوم از ترکیب منگنز به همراه پلاتینیوم و پالادیوم ساخته شده است که با نام اختصاری Mn2PtPd شناخته می شود.

هر چند این ماده قادر به تشکیل میدان مغناطیسی به تنهایی نیست اما در این ماده الکترون هایی وجود دارد که در صورت قرار گیری در میدان مغناطیسی در خود واکنش نشان می دهند.

این ویژگی باعث می شود تا این ماده بتواند به عنوان یک کاندیدای مناسب برای استفاده در هارد درایو های انتخاب شود. البته استفاده از این ماده به دلیل اینکه رفتار آن قابل پیش بینی نیست می تواند با چالش هایی مواجه شود.

در واقع دانشمندان هنوز بر این باورند که کارآیی و رفتار آهن ربا ها در استفاده از آنها برای کاربردهای گوناگون و حوزه های مختلف از اهمیت ویژه ای برخور دار است.

به گفته یکی دیگر از اعضای تیم تحقیقاتی DU مهم نیست که این مواد آهن ربایی جدید چه کاربردی در صنعت داشته باشند و یا اصلاً مفید باشند یا نه .

چیزی که در درجه اول اهمیت است این است که ساخت آن ها و روش های استفاده شده در ساخت آن نشان دهنده گام های بزرگی است که در ساخت مواد آهن ربایی برداشته شده است.

اما اوسس در ادامه اظهارات خود اضافه کرده است که مدل های کامپیوتری جدید به کار رفته در ساخت آهن رباها باعث می شود تا تکیه بر عناصر خاکی کمیاب در صنعت مثل یتیریوم و نئو دیمیوم کاهش یافته و دانشمندان بتوانند مواد جدیدی را در آزمایشگاه ها تولید و از آن ها در صنعت بهره ببرند.

بسیاری از آهن رباهای قوی شامل عناصریی بسیار کمیابی هستند. از طرفی عناصر خاکی کمیاب بسیار گران قیمت هستند و دسترسی به آنها بسیار کم است.

به خصوص آن دسته از عناصر خاکی که تنها در آفریقا و یا چین یافت می شوند. از این رو جستجوی راهی برای تولید آهن ربا ها در آزمایشگاه ها و فارغ از عناصر خاکی بسیار حائز اهمیت است.