Una mirada microscópica a la estructura atómica de una mezcla de cobalto-manganeso-titanio (Co2MnTi) que es uno de los materiales magnéticos recién predichos y fabricados. Cada color muestra la distribución de un elemento diferente. La uniformidad de cada material coincide con las predicciones para un material estable de tres elementos. Crédito:Pelin Tozman, Instituto AMBER y CRANN, Trinity College, Dublín, Irlanda
Los científicos de materiales han predicho y construido dos nuevos materiales magnéticos, átomo por átomo, utilizando modelos computacionales de alto rendimiento. El éxito marca una nueva era para el diseño a gran escala de nuevos materiales magnéticos a una velocidad sin precedentes.
Aunque los imanes abundan en la vida cotidiana, en realidad, son rarezas:sólo alrededor del cinco por ciento de los compuestos inorgánicos conocidos muestran siquiera una pizca de magnetismo. Y de esos solo unas pocas docenas son útiles en aplicaciones del mundo real debido a la variabilidad en propiedades como el rango de temperatura efectivo y la permanencia magnética.
La relativa escasez de estos materiales puede hacerlos caros o difíciles de obtener. lo que lleva a muchos a buscar nuevas opciones dada la importancia de los imanes en aplicaciones que van desde motores hasta máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI). El proceso tradicional implica poco más que prueba y error, ya que los investigadores producen diferentes estructuras moleculares con la esperanza de encontrar una con propiedades magnéticas. Muchos imanes de alto rendimiento, sin embargo, son rarezas singulares entre las tendencias físicas y químicas que desafían la intuición.
En un nuevo estudio, Los científicos de materiales de la Universidad de Duke proporcionan un atajo en este proceso. Demuestran la capacidad de predecir el magnetismo en nuevos materiales a través de modelos informáticos que pueden seleccionar cientos de miles de candidatos en poco tiempo. Y, para demostrar que funciona, han creado dos materiales magnéticos que nunca antes se habían visto.
Los resultados aparecen el 14 de abril 2017, en Avances de la ciencia .
"Predecir imanes es un gran trabajo y su descubrimiento es muy raro, "dijo Stefano Curtarolo, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y director del Centro de Genómica de Materiales de Duke. "Incluso con nuestro proceso de selección, Fueron necesarios años de trabajo para sintetizar nuestras predicciones. Esperamos que otros utilicen este enfoque para crear imanes para su uso en una amplia gama de aplicaciones ".
El grupo se centró en una familia de materiales llamados aleaciones de Heusler, materiales hechos con átomos de tres elementos diferentes dispuestos en una de tres estructuras distintas. Considerando todas las posibles combinaciones y arreglos disponibles usando 55 elementos, los investigadores tenían 236, 115 posibles prototipos para elegir.
Para reducir la lista, los investigadores construyeron cada prototipo átomo por átomo en un modelo computacional. Al calcular cómo probablemente interactuarían los átomos y la energía que requeriría cada estructura, la lista se redujo a 35, 602 compuestos potencialmente estables.
Desde allí, los investigadores llevaron a cabo una prueba de estabilidad más estricta. Generalmente hablando, los materiales se estabilizan en la disposición que requiere la menor cantidad de energía para mantenerse. Al comparar cada compuesto con otros arreglos atómicos y descartar aquellos que serían derrotados por su competencia, la lista se redujo a 248.
Una mirada microscópica a la estructura atómica de una mezcla de manganeso-platino-paladio (Mn2PtPd), ese es uno de los materiales magnéticos recién predichos y fabricados. Cada color muestra la distribución de un elemento diferente. La uniformidad de cada material, con la excepción de los pequeños puntos que indican un estado de fase diferente, coincide con las predicciones para un material estable de tres elementos. Crédito:Pelin Tozman, Instituto AMBER y CRANN, Trinity College, Dublín, Irlanda
De esos 248, solo 22 materiales mostraron un momento magnético calculado. El corte final dejó caer cualquier material con estructuras alternativas de la competencia demasiado cerca para mayor comodidad, dejando 14 candidatos finales para llevar del modelo teórico al mundo real.
Pero como resultan la mayoría de las cosas en un laboratorio, sintetizar nuevos materiales es más fácil de decir que de hacer.
"Puede llevar años darse cuenta de una forma de crear un nuevo material en un laboratorio, "dijo Corey Oses, estudiante de doctorado en el laboratorio de Curtarolo y segundo autor del artículo. "Puede haber todo tipo de restricciones o condiciones especiales que se requieren para que un material se estabilice. Pero elegir entre 14 es mucho mejor que 200, 000 ".
Para la síntesis, Curtarolo y Oses se volvieron hacia Stefano Sanvito, profesor de física en el Trinity College de Dublín, Irlanda. Después de años de intentar crear cuatro de los materiales, Sanvito lo logró con dos.
Ambos fueron, como se predijo, magnético.
El primer material magnético recién acuñado estaba hecho de cobalto, manganeso y titanio (Co2MnTi). Comparando las propiedades medidas de imanes estructurados de manera similar, los investigadores pudieron predecir las propiedades del nuevo imán con un alto grado de precisión. De particular interés, predijeron que la temperatura a la que el nuevo material perdió su magnetismo sería de 940 K (1232 grados Fahrenheit). En prueba, la "temperatura de Curie" real resultó ser de 938 K (1228 grados Fahrenheit), un número excepcionalmente alto. Esta, junto con su falta de elementos de tierras raras, lo hace potencialmente útil en muchas aplicaciones comerciales.
"Muchos imanes permanentes de alto rendimiento contienen elementos de tierras raras, ", dijo Oses." Y los materiales de tierras raras pueden ser costosos y difíciles de adquirir, particularmente aquellos que solo se pueden encontrar en África y China. La búsqueda de imanes libres de materiales de tierras raras es fundamental, especialmente porque el mundo parece estar evitando la globalización ".
El segundo material fue una mezcla de manganeso, platino y paladio (Mn2PtPd), que resultó ser un antiferromagnet, lo que significa que sus electrones se dividen uniformemente en sus alineaciones. Esto hace que el material no tenga un momento magnético interno propio, pero hace que sus electrones respondan a campos magnéticos externos.
Si bien esta propiedad no tiene muchas aplicaciones fuera de la detección de campo magnético, discos duros y memoria de acceso aleatorio (RAM), estos tipos de imanes son extremadamente difíciles de predecir. Sin embargo, Los cálculos del grupo para sus diversas propiedades se mantuvieron acertados.
"Realmente no importa si alguno de estos nuevos imanes resulta útil en el futuro, ", dijo Curtarolo." La capacidad de predecir rápidamente su existencia es un gran golpe y será invaluable para los científicos de materiales que avanzan ".
