Zeldzame aardmetalen zijn alomtegenwoordig in alle technologieën, omdat ze een ‘grote sprong’ in de energiedichtheid van magneten betekenden toen ze in de jaren zestig werden ontdekt, zegt Matthew Kramer, een senior wetenschapper bij het Ames National Laboratory.
Een van de belangrijkste maatstaven voor de eigenschappen van een magneet is de energiedichtheid, gemeten in mega-gauss-ersteds (MGOe). Hoewel de ferrietmagneten op uw koelkast waarschijnlijk een MGOe van ongeveer 5 hebben, zijn op neodymium gebaseerde magneten veel sterker en bereiken ze ongeveer 50 MGOe.
Zeldzame aardmetalen zoals neodymium zijn momenteel een belangrijk ingrediënt in permanente magneten, omdat ze andere metalen kunnen binden in een opstelling die helpt een sterk magnetisch veld te creëren.
Permanente magneten produceren magnetische velden door draaiende elektronen, de kleine geladen deeltjes in atomen. Verschillende elementen hebben verschillende aantallen vrije elektronen die, onder bepaalde omstandigheden, in dezelfde richting kunnen draaien, waardoor een magnetisch veld ontstaat. Hoe meer elektronen vrij zijn en in dezelfde richting draaien, hoe sterker het magnetische veld.
IJzer heeft veel vrije elektronen, maar zonder een overkoepelende structuur hebben ze de neiging in verschillende richtingen te draaien, waardoor ze elkaar opheffen. Het toevoegen van neodymium, dysprosium en andere zeldzame aardmetalen kan helpen de ijzeratomen zo te rangschikken dat hun elektronen kunnen samenwerken, wat resulteert in sterke magneten.
IJzernitride doet wat weinig andere materialen kunnen: het rangschikt het ijzer in een structuur die de elektronen op deze manier samendrijft en op één lijn houdt – er zijn geen zeldzame aardmetalen nodig.
“Als je de stikstof zou kunnen krijgen om deze ijzers goed uit te zetten, zou je mogelijk een heel, heel goede permanente magneet moeten kunnen krijgen”, zegt Kramer. Dit is echter een uitdaging gebleken, voegt hij eraan toe, omdat het moeilijk is om deze materialen in bulk te maken en de complexe chemie te benutten op een manier die hen dwingt hun magnetisatie te behouden.
Idee naar realisatie
Nadat Wang op betrouwbare wijze dunne films van ijzernitride kon maken, was de volgende stap het uitzoeken hoe je het in bulk kon maken, vermalen en samenknijpen om magneten te maken.