Un regard microscopique sur la structure atomique d'un mélange cobalt-manganèse-titane (Co2MnTi) qui est l'un des matériaux magnétiques nouvellement prédits et fabriqués. Chaque couleur montre la distribution d'un élément différent. L'uniformité de chaque matériau correspond aux prédictions d'un matériau stable à trois éléments. Crédit :Pelin Tozman, Institut AMBER et CRANN, Collège de la Trinité, Dublin, Irlande
Les scientifiques des matériaux ont prédit et construit deux nouveaux matériaux magnétiques, atome par atome, en utilisant des modèles de calcul à haut débit. Ce succès marque une nouvelle ère pour la conception à grande échelle de nouveaux matériaux magnétiques à une vitesse sans précédent.
Bien que les aimants abondent dans la vie quotidienne, ce sont en fait des raretés - seulement environ cinq pour cent des composés inorganiques connus montrent même un soupçon de magnétisme. Et de ceux-là, quelques dizaines seulement sont utiles dans les applications du monde réel en raison de la variabilité des propriétés telles que la plage de température effective et la permanence magnétique.
La rareté relative de ces matériaux peut les rendre coûteux ou difficiles à obtenir, conduisant beaucoup à rechercher de nouvelles options étant donné l'importance des aimants dans des applications allant des moteurs aux machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Le processus traditionnel n'implique guère plus que des essais et des erreurs, alors que les chercheurs produisent différentes structures moléculaires dans l'espoir d'en trouver une avec des propriétés magnétiques. De nombreux aimants performants, cependant, sont des bizarreries singulières parmi les tendances physiques et chimiques qui défient l'intuition.
Dans une nouvelle étude, les scientifiques des matériaux de l'Université Duke fournissent un raccourci dans ce processus. Ils montrent la capacité de prédire le magnétisme dans de nouveaux matériaux grâce à des modèles informatiques qui peuvent filtrer des centaines de milliers de candidats en peu de temps. Et, pour prouver que ça marche, ils ont créé deux matériaux magnétiques qui n'ont jamais été vus auparavant.
Les résultats paraissent le 14 avril 2017, dans Avancées scientifiques .
"Prédire les aimants est un sacré boulot et leur découverte est très rare, " a déclaré Stefano Curtarolo, professeur de génie mécanique et de science des matériaux et directeur du Center for Materials Genomics de Duke. "Même avec notre processus de sélection, il a fallu des années de travail pour synthétiser nos prédictions. Nous espérons que d'autres utiliseront cette approche pour créer des aimants à utiliser dans un large éventail d'applications."
Le groupe s'est concentré sur une famille de matériaux appelés alliages Heusler, des matériaux constitués d'atomes de trois éléments différents disposés dans l'une des trois structures distinctes. Considérant toutes les combinaisons et agencements possibles à l'aide de 55 éléments, les chercheurs en avaient 236, 115 prototypes potentiels au choix.
Pour réduire la liste, les chercheurs ont construit chaque prototype atome par atome dans un modèle informatique. En calculant comment les atomes interagiraient probablement et l'énergie dont chaque structure aurait besoin, la liste est tombée à 35, 602 composés potentiellement stables.
De là, les chercheurs ont effectué un test de stabilité plus rigoureux. En général, les matériaux se stabilisent dans l'agencement nécessitant le moins d'énergie à maintenir. En comparant chaque composé à d'autres arrangements atomiques et en rejetant ceux qui seraient battus par leurs concurrents, la liste est tombée à 248.
Un regard microscopique sur la structure atomique d'un mélange manganèse-platine-palladium (Mn2PtPd), c'est l'un des matériaux magnétiques nouvellement prédits et fabriqués. Chaque couleur montre la distribution d'un élément différent. L'uniformité de chaque matériau - à l'exception des petites taches indiquant un état de phase différent - correspond aux prédictions d'un matériau stable à trois éléments. Crédit :Pelin Tozman, Institut AMBER et CRANN, Collège de la Trinité, Dublin, Irlande
Sur ces 248, seuls 22 matériaux ont montré un moment magnétique calculé. La coupe finale a supprimé tous les matériaux avec des structures alternatives concurrentes trop proches pour le confort, laissant 14 candidats finaux à apporter du modèle théorique au monde réel.
Mais comme la plupart des choses dans un laboratoire s'avèrent, synthétiser de nouveaux matériaux est plus facile à dire qu'à faire.
« Cela peut prendre des années pour trouver un moyen de créer un nouveau matériau dans un laboratoire, " a déclaré Corey Oses, doctorant au laboratoire de Curtarolo et deuxième auteur de l'article. « Il peut y avoir toutes sortes de contraintes ou de conditions particulières pour qu'un matériau se stabilise. Mais choisir parmi 14 c'est bien mieux que 200, 000."
Pour la synthèse, Curtarolo et Oses se sont tournés vers Stefano Sanvito, professeur de physique au Trinity College de Dublin, Irlande. Après des années à essayer de créer quatre des matériaux, Sanvito a réussi avec deux.
Les deux étaient, comme prédit, magnétique.
Le premier matériau magnétique nouvellement frappé était en cobalt, manganèse et titane (Co2MnTi). En comparant les propriétés mesurées d'aimants de structure similaire, les chercheurs ont pu prédire les propriétés du nouvel aimant avec une grande précision. A noter en particulier, ils ont prédit que la température à laquelle le nouveau matériau a perdu son magnétisme serait de 940 K (1232 degrés Fahrenheit). En test, la "température de Curie" réelle s'est avérée être de 938 K (1228 degrés Fahrenheit), un nombre exceptionnellement élevé. Cette, avec son manque d'éléments de terres rares, le rend potentiellement utile dans de nombreuses applications commerciales.
"De nombreux aimants permanents hautes performances contiennent des éléments de terres rares, " a déclaré Oses. " Et les terres rares peuvent être chères et difficiles à acquérir, en particulier ceux que l'on ne trouve qu'en Afrique et en Chine. La recherche d'aimants exempts de terres rares est essentielle, d'autant plus que le monde semble se détourner de la mondialisation."
Le deuxième matériau était un mélange de manganèse, platine et palladium (Mn2PtPd), qui s'est avéré être un antiferromagnétique, ce qui signifie que ses électrons sont uniformément divisés dans leurs alignements. Cela conduit le matériau à n'avoir aucun moment magnétique interne propre, mais rend ses électrons sensibles aux champs magnétiques externes.
Bien que cette propriété n'ait pas beaucoup d'applications en dehors de la détection de champ magnétique, disques durs et mémoire vive (RAM), ces types d'aimants sont extrêmement difficiles à prévoir. Néanmoins, les calculs du groupe pour ses différents immeubles sont restés au point.
"Peu importe si l'un ou l'autre de ces nouveaux aimants s'avère utile à l'avenir, " a déclaré Curtarolo. " La capacité de prédire rapidement leur existence est un coup majeur et sera inestimable pour les scientifiques des matériaux à l'avenir. "
