Los científicos de materiales han pronosticado 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: solo alrededor del cinco por ciento de los compuestos inorgánicos conocidos muestran incluso un toque de magnetismo. Y de esos, solo unas pocas docenas son útiles en aplicaciones del mundo real debido a la variabilidad en las propiedadescomo el rango de temperatura efectivo y la permanencia magnética.
La escasez relativa 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 resonancia magnética MRI. El proceso tradicional implica poco más queprueba y error, ya que los investigadores producen diferentes estructuras moleculares con la esperanza de encontrar una con propiedades magnéticas. Sin embargo, muchos imanes de alto rendimiento 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 acceso directo en este proceso. Muestran la capacidad de predecir el magnetismo en nuevos materiales a través de modelos de computadora que pueden detectar 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 de 2017, en Avances científicos .
"Predecir los imanes es un gran trabajo y su descubrimiento es muy raro", dijo Stefano Curtarolo, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales y director del Centro de Genómica de Materiales en Duke. "Incluso con nuestro proceso de selección, tomóaños de trabajo para sintetizar nuestras predicciones. Esperamos que otros usen este enfoque para crear imanes para su uso en una amplia gama de aplicaciones ".
El grupo se enfocó 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 combinaciones y arreglos posibles disponibles usando 55 elementos, los investigadores tuvieron 236,115 prototipos potenciales paraescoge de.
Para reducir la lista, los investigadores construyeron cada prototipo átomo por átomo en un modelo computacional. Al calcular cómo interactuarían los átomos y la energía que requeriría cada estructura, la lista se redujo a 35,602 compuestos potencialmente estables.
A partir de ahí, los investigadores llevaron a cabo una prueba de estabilidad más estricta. En términos generales, los materiales se estabilizan en la disposición que requiere la menor cantidad de energía para mantener. Al comparar cada compuesto con otras disposiciones atómicas y desechar aquellas que serían superadas porsu competencia, la lista se redujo a 248.
De esos 248, solo 22 materiales mostraron un momento magnético calculado. El corte final dejó caer cualquier material con estructuras alternativas competitivas demasiado cerca para su comodidad, dejando a los 14 candidatos finales para llevar del modelo teórico al mundo real.
Pero como la mayoría de las cosas en un laboratorio resultan, sintetizar nuevos materiales es más fácil decirlo que hacerlo.
"Puede tomar años darse cuenta de una forma de crear un nuevo material en un laboratorio", dijo Corey Oses, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Curtarolo y segundo autor del artículo. "Puede haber todo tipo de restricciones o condiciones especiales queson necesarios para que un material se estabilice. Pero elegir entre 14 es mucho mejor que 200,000 ".
Para la síntesis, Curtarolo y Oses recurrieron a Stefano Sanvito, profesor de física en el Trinity College de Dublín, Irlanda. Después de años de intentar crear cuatro de los materiales, Sanvito tuvo éxito con dos.
Ambos fueron, como se predijo, magnéticos.
El primer material magnético recién acuñado estaba hecho de cobalto, magnesio y titanio Co2MnTi. Al comparar las propiedades medidas de imanes de estructura 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 era de 940 K 1232 grados Fahrenheit. En las pruebas, la "temperatura Curie" real resultó ser de 938 K 1228 grados Fahrenheit, un número excepcionalmente alto.Esto, 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 tierras raras-los materiales de la tierra son críticos, especialmente porque el mundo parece estar alejándose de la globalización "
El segundo material era una mezcla de manganeso, platino y paladio Mn2PtPd, que resultó ser un antiferromagnético, lo que significa que sus electrones están divididos 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, los discos duros y la 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 acertadas.
"Realmente no importa si alguno de estos nuevos imanes demuestra ser 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 en el futuro".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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