Op basis van een computermodel hebben onderzoekers heel gericht nieuwe magnetische materialen gemaakt. Door in het model te spelen met de aanwezige elementen en het kristalrooster, zijn van tevoren de eigenschappen van een nog onbekend materiaal te voorspellen. Tot nu toe ging dat vaak via trial-and-error.
Magnetisme is een eigenschap van materialen die voorkomen in de natuur, dat wisten de oude Grieken al. Daarnaast kun je ook nieuwe materialen bedenken met magnetische eigenschappen. Dat gebeurt ook, alleen is dat vaak een proces van vallen en opstaan. Welke combinaties van elementen de juiste eigenschappen opleveren, en welk kristalrooster je daarvoor nodig hebt, het blijft uitproberen en gokken.
Daaraan maakt nieuw onderzoek nu een eind. Materiaalwetenschappers in Ierland (Trinity College Dublin) en de VS (Duke University) bouwden een computermodel dat op basis van drie elementen verschillende combinaties kan maken. Instelbaar in het model zijn de aantallen atomen ten opzichte van elkaar en het rooster waarin ze zitten. Dit leidt tot – in theorie – 236.115 verschillende materialen.
Eigenschappen voorspellen
Hier bewees het computermodel zijn kracht: het kon voorspellen hoe de drie verschillende elementen op elkaar zouden inwerken en of dat magnetische eigenschappen oplevert. Op die manier werd het theoretisch mogelijke aantal kandidaten rap teruggebracht tot veertien. Daarvan gingen de recepten naar het laboratorium, waar collega’s aan de slag gingen om te proberen die materialen te maken.
‘Dan is het nog steeds lastig genoeg om die materialen stabiel te maken, maar het is prettiger kiezen uit 14 opties dan uit ruim 200.000 stuks’, zegt promovendus Corey Oses van Duke University in een persbericht van die universiteit. Het duurde uiteindelijk een paar jaar in het lab voordat het lukte om twee van de ontworpen materialen te maken. Die bleken inderdaad magnetisch te zijn.
Hoge Curietemperatuur
Het eerste materiaal was Co2MnTi, een legering van cobalt, mangaan en titanium. Het computermodel voorspelde dat dit materiaal bij een temperatuur van 940 K zijn magnetisme zou verliezen (de Curietemperatuur) en proeven in het lab wezen uit dat dit bij 938 K het geval was: een indrukwekkend nauwkeurige voorspelling van een cruciale materiaaleigenschap. Die hoge Curietemperatuur betekent dat magneten van dit materiaal kunnen worden gebruikt in toepassingen waarbij het behoorlijk warm wordt.
De gebruikte elementen zijn overvloedig in de natuur aanwezig, een tweede pluspunt, want ‘veel bestaande magneten bevatten zeldzame aardmetalen, die lastig te vinden zijn en dus duur zijn’, aldus Oses. Een vervanging met minder zeldzame materialen is dan ook meer dan welkom.
Harde schijven
Het tweede geproduceerde materiaal was Mn2PtPd, een legering van mangaan, platina en palladium. Dit materiaal vertoonde antiferromagnetische eigenschappen, wat het wellicht bruikbaar maakt voor toepassingen als harde schijven. Bij antiferromagnetisme zijn de spins van de elektronen van nature netjes verdeeld over twee tegengestelde richtingen. Dit maakt dat het materiaal gevoelig is voor externe magneetvelden, die de elektronenspins kunnen richten. Ook hier bleek de voorspelde eigenschap in het materiaal ook echt zo te werken.
‘Of deze twee materialen in de toekomst zullen worden gebruikt, is niet eens zo van belang. Het gaat erom dat we van een nog niet bestaand materiaal kunnen voorspellen of het stabiel kan bestaan en welke belangrijke eigenschappen het heeft’, aldus Stefano Curtarolo, hoogleraar materiaalkunde aan Duke University.
Openingsbeeld bron Geek3
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.