Các nhà khoa học tại Đại học Georgetown (Hoa Kỳ) vừa phát hiện một lớp vật liệu từ tính mạnh hoàn toàn mới không sử dụng đất hiếm hay kim loại quý. Kết quả nghiên cứu, công bố trên tạp chí Advanced Materials, mở ra hướng tiếp cận mới trong phát triển nam châm hiệu năng cao bằng các nguyên tố phổ biến hơn, qua đó góp phần giảm phụ thuộc vào những vật liệu chiến lược có nguồn cung dễ biến động.

Nam châm mạnh là thành phần nền tảng của nhiều công nghệ hiện đại, từ động cơ điện, máy phát điện, thiết bị lưu trữ dữ liệu, cảm biến, robot và máy chụp cộng hưởng từ (MRI) cho đến điện thoại thông minh. Một trong những đặc tính quan trọng nhất quyết định hiệu năng của nam châm là khả năng duy trì hướng từ hóa ưu tiên, hay còn gọi là dị hướng từ. Hiện nay, các vật liệu có dị hướng từ mạnh nhất dùng cho nam châm vĩnh cửu phần lớn phụ thuộc vào các nguyên tố đất hiếm - nhóm vật liệu có chi phí cao, quá trình khai thác gây nhiều tác động môi trường và thường đối mặt với rủi ro về chuỗi cung ứng. Trong các ứng dụng màng mỏng, một số hợp kim sắt - platinum được sử dụng để đạt các đặc tính tương tự, nhưng lại phụ thuộc vào kim loại quý có giá thành đắt đỏ.

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Kai Liu, Giáo sư Gen Yin và nghiên cứu sinh Willie Beeson dẫn đầu đã phát hiện một lớp vật liệu từ tính mới dựa trên các boride entropy cao. Vật liệu này được tạo thành từ các kim loại chuyển tiếp phổ biến kết hợp với nguyên tố bo (boron), đồng thời không chứa cả đất hiếm lẫn kim loại quý. Theo nhóm nghiên cứu, đây là một hướng tiếp cận đáng chú ý trong nỗ lực phát triển các hệ vật liệu từ tính bền vững hơn.

Điểm nổi bật của công trình là việc lần đầu tiên hiện thực hóa các boride entropy cao trong cấu trúc tinh thể C16 bằng các kim loại chuyển tiếp nhóm 3D có trữ lượng dồi dào. Khi bo được bổ sung vào hỗn hợp vật liệu, các nguyên tử vốn phân bố ngẫu nhiên bắt đầu hình thành cấu trúc có trật tự và đối xứng rõ ràng hơn. Trên cùng một đế vật liệu, nhóm nghiên cứu có thể chế tạo đồng thời khoảng 50 mẫu với thành phần khác nhau nhưng trong cùng điều kiện thí nghiệm, qua đó rút ngắn đáng kể thời gian sàng lọc và đánh giá các tổ hợp tiềm năng.

Kết quả cho thấy các boride năm nguyên tố mới sở hữu dị hướng từ rất cao, tiệm cận mức của nhiều nam châm vĩnh cửu chứa đất hiếm và vượt các giá trị từng được ghi nhận đối với các vật liệu entropy cao không sử dụng đất hiếm. Các tính toán lý thuyết hàm mật độ cũng cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, cho thấy cấu trúc điện tử của vật liệu - đặc biệt là nồng độ electron hóa trị và mômen từ hiệu dụng - đóng vai trò quyết định trong việc tăng cường tính dị hướng từ.

Theo Giáo sư Liu, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục mở rộng khảo sát sang các thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể khác nhằm tìm kiếm những vật liệu từ tính có hiệu năng cao hơn. Việc kết hợp các phương pháp học máy cũng được kỳ vọng sẽ giúp đẩy nhanh quá trình khám phá vật liệu mới. Dù hiện nay kết quả mới chỉ được chứng minh trên các mẫu màng mỏng trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu đã cho thấy khả năng tạo ra nam châm hiệu năng cao chỉ từ các nguyên tố phổ biến trên Trái Đất. Nếu tiếp tục được phát triển thành công, hướng tiếp cận này có thể góp phần giảm áp lực lên chuỗi cung ứng nguyên liệu chiến lược, đồng thời hỗ trợ các lĩnh vực như lưu trữ dữ liệu, spintronics và các công nghệ điện tử tiết kiệm năng lượng.

NPA (Theo Georgetown University)