Phương pháp mới sản xuất "nam châm vũ trụ", không cần đến đất hiếm

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một phương pháp mới tiềm năng để chế tạo nam châm hiệu suất cao được sử dụng trong tuabin gió và ô tô điện mà không cần đến nguyên tố đất hiếm, vốn hầu như chỉ được cung cấp bởi Trung Quốc.

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Cambridge (Anh) phối hợp với các đồng nghiệp từ Áo, đã tìm ra một phương pháp mới để có thể thay thế nam châm đất hiếm. Đó là Tetrataenite, loại "nam châm vũ trụ" cần hàng triệu năm để phát triển tự nhiên trong các thiên thạch.

Phương pháp mới hứa hẹn tiềm năng chế tạo nam châm hiệu suất cao mà không cần đến đất hiếm - loại nguyên liệu mà Trung Quốc chiếm hơn 80% nguồn cung toàn cầu.

Những nỗ lực trước đây để tạo ra Tetrataenite trong phòng thí nghiệm đã dựa vào các phương pháp cực đoan, không thực tế. Tuy nhiên, trong phương pháp mới, các nhà nghiên cứu đã bổ sung một nguyên tố phổ biến là phốt-pho, để tạo ra Tetrataenite ở quy mô lớn và nhân tạo mà không cần bất kỳ phương pháp xử lý chuyên biệt nào hay các kỹ thuật đắt tiền.

Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Khoa học Tiên tiến (Advanced Science). Cambridge Enterprise, chi nhánh thương mại hóa của Đại học Cambridge, và Viện Hàn lâm Khoa học Áo, hiện đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế về công nghệ này.

Nam châm hiệu suất cao là một công nghệ quan trọng để xây dựng một nền kinh tế không carbon và các nam châm vĩnh cửu tốt nhất hiện có chứa các nguyên tố đất hiếm.

Không giống như tên gọi của chúng, đất hiếm có rất nhiều trong vỏ Trái đất. Tuy nhiên, Trung Quốc gần như độc quyền về sản xuất toàn cầu loại nguyên liệu này. Vào năm 2017, 81% đất hiếm trên toàn thế giới có nguồn gốc từ Trung Quốc.

Các quốc gia khác, như Australia, cũng khai thác đất hiếm, nhưng vẫn có những lo ngại rằng nguồn cung đất hiếm có thể gặp rủi ro trong trường hợp căng thẳng địa chính trị với Trung Quốc gia tăng.

Giáo sư Lindsay Greer từ Khoa Khoa học Vật liệu & Luyện kim của Đại học Cambridge, cho biết: “Các mỏ đất hiếm tồn tại ở những nơi khác rất khó khai thác: ta phải khai thác một lượng lớn vật liệu để có được một khối lượng nhỏ đất hiếm”.

Ông Greer cũng cho biết, trong bối cảnh những tác động đến môi trường và sự phụ thuộc quá nhiều vào Trung Quốc, đã có một cuộc tìm kiếm khẩn cấp các vật liệu thay thế không đòi hỏi đất hiếm.

Tetrataenite, một hợp kim sắt-niken với cấu trúc nguyên tử có trật tự đặc biệt, là một trong những lựa chọn thay thế có triển vọng nhất. Tetrataenite hình thành trong hàng triệu năm khi một thiên thạch từ từ nguội đi, cho các nguyên tử sắt và niken đủ thời gian để tự sắp xếp thành một chuỗi đặc biệt trong cấu trúc tinh thể, cuối cùng tạo ra một vật liệu có từ tính chất gần giống với các nam châm đất hiếm.

Thiên thạch, nơi hình thành nam châm Tetrataenite trong hàng triệu năm trong các điều kiện tự nhiên.

Vào những năm 1960, các nhà khoa học đã có thể tạo ra Tetrataenite nhân tạo bằng cách bắn phá các hợp kim sắt-niken bằng neutron, cho phép các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự mong muốn, nhưng kỹ thuật này không phù hợp để sản xuất hàng loạt.

Giờ đây, Greer và các đồng nghiệp của ông từ Viện Khoa học Hàn lâm Áo và trường Đại học Montanuniversität ở Leoben, đã tìm ra một giải pháp thay thế khả thi mà không cần đến hàng triệu năm làm lạnh hoặc chiếu xạ neutron.

Nhóm khoa học gia đã nghiên cứu các tính chất cơ học của hợp kim sắt-niken có chứa một lượng nhỏ phốt pho –một nguyên tố cũng có trong thiên thạch.

Các nhà nghiên cứu nói rằng phốt pho, có trong thiên thạch, cho phép các nguyên tử sắt và niken di chuyển nhanh hơn, cho phép chúng tạo thành một khối có trật tự cần thiết mà không cần đợi hàng triệu năm. Bằng cách trộn sắt, niken và phốt pho với số lượng phù hợp, họ có thể tăng tốc độ hình thành Tetrataenite từ 11 đến 15 bậc độ lớn, sao cho nó hình thành trong vài giây trong một quá trình cấu tạo đơn giản.

Greer cho biết: “Điều đáng kinh ngạc là không cần xử lý đặc biệt: chúng tôi chỉ cần nấu chảy hợp kim, đổ vào khuôn và chúng tôi đã có Tetrataenite. Quan điểm trước đây trong lĩnh vực này là bạn không thể có được Tetrataenite trừ khi bạn làm điều gì đó cực đoan, bởi vì nếu không, bạn sẽ phải đợi hàng triệu năm để nó hình thành. Kết quả này thể hiện sự thay đổi hoàn toàn trong cách chúng ta nghĩ về vật liệu này”.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất Tetrataenite, nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn để xác định xem liệu nó có phù hợp với nam châm hiệu suất cao hay không. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ làm việc với các nhà sản xuất nam châm lớn về vấn đề này.