Sällsynta jordartsmetaller ett minne blott
Högpresterande magneter är en viktig teknik för att bygga en koldioxidfri ekonomi. De bästa permanentmagneterna som för närvarande finns tillgängliga innehåller sällsynta jordartsmetaller. Dessa har Kina nästan monopol på: 2017 kom 81 procent av de sällsynta jordartsmetallerna världen över från Kina. När de geopolitiska spänningarna med Kina ökar, finns det farhågor om att tillgången på sällsynta jordartsmetaller kan vara i fara och hämma framtidens teknikutveckling.
– Gruvdriften är mycket störande, man måste utvinna en enorm mängd material för att få en liten volym sällsynta jordartsmetaller, säger professor Lindsay Greer från Cambridges institution för materialvetenskap och metallurgi och tillägger att både vad gäller miljöpåverkan och det stora beroendet av Kina har det skett ett akut sökande efter alternativa material som inte kräver sällsynta jordartsmetaller.
Ett team från University of Cambridge har nu en lösning på gång för att kunna utesluta sällsynta jordartsmetaller. De har hittade ett nytt sätt genom att man istället ersätter med sällsynta jordartsmagneter, nämligen tetrataenit, vilket egentligen är en "kosmisk magnet" som tar miljontals år att utvecklas naturligt i meteoriter vilket slutligen resulterar i ett material med magnetiska egenskaper som närmar sig de hos sällsynta jordartsmagneter.
Tidigare försök att tillverka tetrataenit i laboratoriet har förlitat sig på opraktiska, extrema metoder som inneburit att det är omöjligt att tillverka tetrataenit artificiellt och i stor skala utan någon specialiserad behandling eller dyra tekniker.
– På 1960-talet kunde forskare på konstgjord väg bilda tetrataenit genom att bombardera järn-nickellegeringar med neutroner, men denna teknik är inte lämplig för massproduktion. Sedan dess har forskare varit fascinerade av att få den ordnade strukturen, men det har alltid känts som något som var väldigt långt borta, kommenterar Lindsay Greer.
Men nu har alltså Lindsay Greer och hans kollegor från Österrikiska vetenskapsakademin och Montanuniversität i Leoben hittat ett möjligt alternativ som inte kräver miljontals år av kylning eller neutronbestrålning. De har nämligen studerade de mekaniska egenskaperna hos järn-nickellegeringar som innehåller små mängder fosfor, ett grundämne som också finns i meteoriter. Mönstret av faser inuti dessa material visade den förväntade trädliknande tillväxtstrukturen som kallas dendriter.
Forskarna säger att fosfor, som finns i meteoriter, gör att järn- och nickelatomerna kan röra sig snabbare, vilket gör att de kan bilda den nödvändiga ordnade staplingen utan att vänta i miljontals år. Genom att blanda järn, nickel och fosfor i rätt mängd kunde de påskynda tetrataenitbildningen med mellan 11 och 15 storleksordningar, så att den bildas under några sekunder vid enkel gjutning.
– Det som var så häpnadsväckande var att ingen speciell behandling behövdes: vi smälte bara legeringen, hällde den i en form och vi hade tetrataenit. Den tidigare uppfattningen i fältet var att du inte kunde få tetrataenit om du inte gjorde något extremt, för annars skulle du behöva vänta i miljontals år för att det skulle bildas. Detta resultat representerar en total förändring i hur vi tänker kring detta material, menar Lindsay Greer.
Medan forskarna har hittat en lovande metod för att producera tetrataenit, krävs mer arbete för att avgöra om det kommer att vara lämpligt för högpresterande magneter till exempelvis bilar och vindkraftverk. Teamet hoppas därför nu kunna arbeta med detta med stora magnettillverkare.
Resultaten rapporteras i tidskriften Advanced Science . En patentansökan på teknologin har lämnats in av Cambridge Enterprise, universitetets kommersialiseringsavdelning och den österrikiska vetenskapsakademin.