Des disques durs d'ordinateur et des téléphones intelligents aux écouteurs et aux moteurs électriques, les aimants sont à la pointe de la technologie d'aujourd'hui. Les aimants contenant des éléments de terres rares sont parmi les plus puissants disponibles, permettant à de nombreux objets du quotidien d'être de plus en plus petits. Mais les éléments de terres rares peuvent être difficiles à obtenir, étant donné leur rareté ou les climats géopolitiques difficiles de certains des pays où ils sont extraits. Maintenant, les scientifiques ont identifié des aimants basés sur des terres rares plus facilement disponibles, ainsi que des aimants prometteurs qui ne contiennent pas du tout ces matériaux.

Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion et exposition nationale du printemps 2019 de l'American Chemical Society (ACS).

"Nous avons développé de nouvelles façons de mieux prédire quels matériaux font de bons aimants, " dit Thomas Lograsso, Doctorat., qui dirigeait l'équipe. "Expérimentalement, nous pouvons "réhabiliter" les systèmes proches de l'aimant, appelés para-aimants. Nous commençons avec des alliages ou des composés qui ont toutes les propriétés nécessaires pour être ferromagnétiques à température ambiante. À plusieurs reprises, ces matériaux ont des proportions élevées de fer ou de cobalt."

Les para-aimants sont des matériaux qui sont faiblement attirés par un champ magnétique et ne sont pas magnétisés en permanence. Mais en ajoutant des alliages, les para-aimants ont été transformés en ferroaimants, ou des aimants permanents réguliers, comme la surface métallique d'un réfrigérateur. L'équipe de Lograsso au Critical Materials Institute du laboratoire Ames a identifié jusqu'à présent deux candidats prometteurs en utilisant cette approche de « réhabilitation », et les deux sont des formes de cérium cobalt :CeCo 3 et CeCo 5 . Bien que le cérium soit appelé élément des terres rares, il est très abondant et facile à obtenir.

Travaux antérieurs sur CeCo 3 a montré qu'il présentait un comportement paramagnétique classique. Les calculs ont prédit qu'en ajoutant du magnésium, CeCo paramagnétique 3 pourrait être transformé en ferromagnétique. Ces prédictions ont été validées expérimentalement, Lograsso dit, et cette propriété a été observée dans les mesures de monocristaux du composé.

CeCo 5 est un ferromagnétique puissant. Les chercheurs ont combiné des calculs théoriques avec des expériences à haut débit pour se concentrer sur la quantité exacte de cuivre et de fer à ajouter qui optimiserait le ferromagnétisme du composé. Avec ces additifs, l'équipe prévoit que CeCo 5 pourrait un jour être utilisé à la place des aimants de terres rares les plus puissants contenant du néodyme (Nd) et du dysprosium (Dy), diminuant ainsi la demande pour ces éléments critiques. Lograsso et ses collègues continuent d'étudier d'autres métaux similaires qui peuvent être ajoutés au CeCo 5 pour améliorer encore son aptitude en tant que substitut viable pour les aimants Nd et Dy.

« Remplacer les aimants aux terres rares, qui sont très demandés, serait idéal, tant sur le plan économique qu'environnemental, " dit Lograsso. " Bien que nos composés de cérium-cobalt modifiés ne soient pas aussi puissants que les aimants de terres rares, ils pourraient encore être très précieux pour certaines applications commerciales. Donc, notre objectif est de faire correspondre le bon matériau d'aimant à une application spécifique, un aimant non-terres rare appelé « Goldilocks ».

À cette fin, le groupe continue d'utiliser sa stratégie d'optimisation des caractéristiques clés des aimants pauvres ou non magnétiques pour les transformer en alternatives totalement exemptes d'éléments de terres rares. Par exemple, ils utilisent désormais le cobalt pour optimiser les performances du fer germanium, Fe 3 Gé. La magnétisation élevée du composé résultant est comparable aux meilleurs aimants à base de Nd. Cette stratégie ne se limite pas à Fe 3 Ge et est appliqué à d'autres composés prometteurs sans terres rares pour améliorer sélectivement les propriétés des aimants.