Нитриды железа: мощные магниты без редкоземельных элементов

С момента своего относительно недавнего появления на коммерческой сцене редкоземельные магниты произвели настоящий фурор в общественном сознании. Количество магнитной энергии, заключенной в этих крошечных блестящих объектах, привело к технологическим скачкам, которые были невозможны до их появления, например, вибромоторы в сотовых телефонах или крошечные динамики в наушниках и слуховых аппаратах. И это не говоря уже о двигателях электромобилей и генераторах ветряных турбин, а также о бесчисленных медицинских, военных и научных целях.

Однако за эти достижения приходится платить, поскольку редкоземельные элементы, необходимые для их производства, становится все труднее достать. Дело не в том, что редкоземельные элементы, такие как неодим, так уж редки с геологической точки зрения; скорее, месторождения распределены неравномерно, что позволяет металлам легко стать пешками в бесконечной геополитической шахматной игре. Более того, извлечение их из руд – непростое дело в эпоху повышенной чувствительности к экологическим соображениям.

К счастью, существует несколько способов изготовления магнита, и вскоре, возможно, станет возможным создавать постоянные магниты, столь же сильные, как неодимовые магниты, но без каких-либо редкоземельных металлов. Фактически, единственное, что нужно для их изготовления, — это железо и азот, плюс понимание кристаллической структуры и некоторая инженерная изобретательность.

Для начала, что вообще такое постоянный магнит? Как и на многие простые вопросы о природе, на этот вопрос не существует простого ответа, который не требовал бы изрядного размахивания руками. Даже физики в конце концов доходят до того, что их ответ сводится к следующему: «Мы просто не знаем». Но это не значит, что магнетизм — полная загадка, и то, что мы знаем о нем, довольно просто и на самом деле помогает понять, как работают как редкоземельные магниты, так и их альтернативы.

Ранее мы уже изучали основы магнетизма, но подведем итог: любая заряженная частица, такая как электрон, обладает так называемым собственным магнитным моментом, то есть они действуют как маленькие магниты. В атомах с заполненными электронными оболочками эти магнитные моменты нейтрализуют друг друга, поскольку каждая пара электронов имеет моменты, направленные в противоположные стороны. Но в атомах с неспаренными электронами во внешних оболочках нет ничего, что могло бы компенсировать магнитные моменты, а значит, эти элементы магнитны. Эти элементы, как правило, происходят из двух конкретных областей таблицы Менделеева: металлов d-блока, таких как кобальт, никель и железо, и актиноидов f-блока, лантаноидов, которые включают редкоземельные металлы, такие как самарий, неодим и празеодим.

Однако магнит – это нечто большее, чем просто происхождение его ингредиентов в таблице Менделеева. Магнетизм заключается в том, чтобы выровнять все внутренние магнитные моменты и действовать в одном направлении. Точно так же, как электроны в атоме магнитного элемента не должны сражаться друг с другом, атомы также должны располагаться так, чтобы все их магнитные моменты были направлены в одну сторону. Это называется высокой магнитной анизотропией и является одной из характеристик сильных магнитов. Редкоземельные металлы, такие как неодим, обладают очень высокой магнитной анизотропией, что способствует прочности редкоземельных магнитов.

Но сами по себе редкоземельные металлы на самом деле являются довольно плохими магнитами, по крайней мере, на практическом уровне. Это связано с их относительно низкой точкой Кюри — температурой, выше которой вещество теряет свои магнитные свойства. При комнатной температуре кусок чистого неодима вообще не будет магнитом. Фактически, чтобы иметь какие-либо магнитные свойства, его необходимо охладить до температуры ниже 20 К. Чтобы обойти эту проблему, редкоземельные металлы смешивают с другими ферромагнитными элементами для получения сплавов, которые обладают сильной магнитной коэрцитивностью и при этом имеют приличную точку Кюри. Самый распространенный редкоземельный магнитный сплав, представляющий собой комбинацию железа, неодима и бора, имеет температуру Кюри в диапазоне 300–400°C, в зависимости от точного состава элементов.

Чтобы продвинуться дальше в кроличью нору магнетизма, необходимо освоиться с концепциями кристаллографии. Это чертовски сложный предмет, номенклатура и терминология которого сбивают с толку, потому что кажется, что это то же самое, что и стандартное обозначение химических формул, но это явно не так. Полное понимание того, как добавление неодима к железу создает мощный постоянный магнит и как возможно создание мощного магнита без каких-либо редкоземельных элементов, потребует более глубокого погружения в кристаллографию, чем у нас здесь есть место. К счастью, основ будет достаточно, а также небольшого махания рукой. И здесь надо отдать должное моему другу Закари Тонгу, который вмешался и помог мне разобраться в этих сложных темах.