Дефекты делают постоянные магниты ещё эффективнее

Изображение магнитных доменов и микроструктуры образца A. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67773-7

Редкоземельные магниты необходимы для электродвигателей в транспортных средствах, дронах и поездах, являясь основой современной экологичной мобильности. Это не простые блоки металла, а тщательно спроектированные материалы со сложной внутренней наноструктурой, состоящей из крошечных строительных блоков, называемых фазами, каждая из которых имеет свою кристаллическую структуру, химический состав и физические свойства. То, как ведёт себя намагниченность на границах между этими микроскопическими блоками и насколько хорошо она сопротивляется размагничивающим силам, в конечном счёте определяет силу и стабильность магнита, а значит, эффективность и надёжность двигателя или генератора.

Комбинируя передовые магнитные измерения, различные методы микроскопии и микромагнитное моделирование, исследователи из Коллаборативного исследовательского центра DFG изучили высокопроизводительный самарий-кобальтовый магнит Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇, известный своей превосходной термической и химической стабильностью. Атомно-масштабная визуализация показала, что хотя магниты высокой и средней производительности могут выглядеть структурно схожими, они существенно различаются по химическому составу на наноуровне. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Ключевым открытием стало то, что самые сильные магниты содержат ультратонкий слой, обогащённый медью — толщиной всего в один-два атома — на границе критической внутренней фазы. Эта особенность атомного масштаба действует как эффективный барьер для «закрепления» магнитных доменов, подавляя размагничивание и обеспечивая надёжную работу в экстремальных условиях.

Ещё одно важное открытие касается так называемых границ зёрен, которые разделяют области внутри кристалла, имеющие разную ориентацию, но в остальном одинаковую кристаллическую структуру. Долгое время границы зёрен считались слабым звеном, с которого начинается размагничивание. Теперь же исследователи обнаружили, что границы зёрен не оказывают существенного негативного влияния на магнитные характеристики.

Изображение магнитных доменов и микроструктуры образца B. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67773-7

Настоящий потенциал для улучшения кроется в самих кристаллических частях. Там тщательно оптимизированная наноструктура атомного масштаба приводит к созданию более сильных и стабильных магнитов. Таким образом, даже крошечные изменения в расположении атомов или распределении элементов могут значительно повлиять на общую силу магнита, и именно специфические структурные особенности на атомном уровне приводят к улучшению свойств всего материала.

Сравнив лабораторные наблюдения с микромагнитным компьютерным моделированием, исследователи определили конкретные микроструктурные особенности, известные как «идеальные дефекты», которые отвечают за самое сильное и стабильное состояние магнита. Эти теоретические идеи помогают объяснить, почему одни области магнита работают лучше других, и предоставят ценное руководство для проектирования ещё более сильных и эффективных магнитов в будущем без необходимости медленных и дорогостоящих проб и ошибок.

Исследование подчёркивает, как сочетание взаимодополняющего опыта различных институтов и дисциплин было необходимо для достижения целостного понимания того, как магниты черпают свои свойства из взаимодействия структуры и состава вплоть до атомного уровня.

Источник: Technische Universitat Darmstadt