Издание Popular Mechanics (США) публикует материал о том, что использование металлов метеоритного происхождения при производстве магнитов сулит настоящий переворот в современных технологиях.
Человек с древности использовал метеоритные железо и никель для ковки инструментов и оружия. Однако метеорит, упавший 27 июня 1966 года рядом с городом Сен-Северен на юго-западе Франции, содержал в себе кое-что, возможно, даже более ценное.
Геологи, исследовавшие эти образцы почти через четверть века, сделали потрясающее открытие: в метеорите обнаружилось небольшое количество редкого металла, известного как тетратенит, который мог бы произвести революцию в мировом производстве электроники — от iPhone до систем управления истребителей и атомных субмарин.
Название металла происходит от тетрагональной структуры, которую образуют атомы в самородном сплаве никеля с железом. По своим свойствам тетратенит похож на редкоземельные металлы (РЗМ). Однако, поскольку тетратенит содержится исключительно в метеоритах, возможность использования этого металла в промышленных масштабах не рассматривалась. Так было до прошлого года.
Обломки метеоритов есть во многих музеях мира.
Осенью 2022 года Линдси Грир, доктор философии и профессор кафедры материаловедения, вместе с несколькими коллегами по Кембриджскому университету (Великобритания) объявил об успешном синтезе тетратенита при нагреве широко распространённых минералов выше их температуры плавления (около 1443 ºС). Полученный в лабораторных условиях металл обладает почти такими же магнитными свойствами, как у редкоземельных неодима, празеодима и диспрозия.
Команда Грира сделала своё открытие в решающий момент. Спрос на продукты, содержащие редкоземельные элементы, только растёт, что делает группу из 17 металлов одним из самых востребованных ресурсов на планете. По данным министерства энергетики США, мировой спрос на РЗМ увеличится на 400% в течение следующих нескольких десятилетий.
Как это нередко бывает, синтез тетратенита явился результатом стечения обстоятельств. Рассчитывая создать металлическое стекло, которое представляет собой сплав атомов, перемешанных вместе без образования определённой структуры, исследователи из команды Грира поместили внутрь простой электрической печи кусочки железа, никеля и фосфидного соединения на медной тарелке и после плавки получили неожиданный побочный продукт.
Изучая своё творение под микроскопом, Грир был ошеломлён, обнаружив, что атомы железа и никеля образовали упорядоченные тетрагональные структуры — точно такие же, как в тетратените, добытом из метеоритов. После ряда исследований, особенно магнитных свойств синтезированного тетратенита, команда Грира начала задаваться вопросом, в каких объёмах возможно производство ценного материала.
Линдси Грир, доктор философии и профессор кафедры материаловедения Кембриджского университета.
Почти одновременно с учёными из Кембриджа исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне, возглавляемые Лорой Льюис, профессором кафедры химического машиностроения, сообщили, что они тоже разработали способ производства тетратенита. Использованный американцами метод аналогичен методу Грира за одним исключением: когда сплав железа и никеля остывает, команда Льюис, согласно патенту, применяет «экзистенциальный стресс», представляющий собой измельчение побочного продукта для образования атомами тетрагональных структур.
Значение этого открытия сложно переоценить, поскольку производство РЗМ в любом случае наносит ущерб экологии, а доминирование Китая на рынке этих элементов создаёт угрозы для Запада в случае конфронтации с Пекином. Что касается синтеза тетратенита, то для него требуются железо и никель, которые относятся к наиболее распространённым металлам на планете, а их получение сопряжено с меньшими рисками для окружающей среды.
Однако на пути к производству тетратенита в значимых масштабах остаётся ещё немало нерешённых проблем. Лучшее, что сейчас могут сделать команды учёных под руководством Грира и Льюис, — это получать в лабораториях следовые количества металла и провести углублённый анализ образцов. Затем предстоит разработать технологии производственного процесса. Линдси Грир признаёт, что на это, скорее всего, потребуются годы. «Наши текущие исследования показали, насколько сложно получить тетратенит», — говорит учёный.
Тетратенит можно синтезировать в лабораторных условиях, но до промышленного производства еще далеко.
Одной из самых сложных проблем является поиск способа обеспечения стабильности структуры синтезируемого материала. При температуре выше нескольких сотен градусов атомы железа и никеля очень подвижны (это то, что придавало метеоритному железу его пластичность, столь ценимую в древности). Но по мере остывания сплава атомы металлов становятся более заторможенными и, следовательно, с меньшей вероятностью образуют тетрагональные структуры характерные для магнитного тетратенита.
Для производства материала в промышленных масштабах исследователям предстоит значительно ускорить процесс образования атомами железа и никеля стабильной тетрагональной структуры и добиться её сохранения при остывании сплава.
Впрочем, это только половина дела. Постоянные магниты, изготовленные из редкоземельных металлов, способны выдерживать высокие температуры, например, иногда превышающие 150 ºС в двигателях электромобилей. РЗМ прекрасно справляются с этой задачей благодаря своему уникальному составу. В отличие от большинства металлов, редкоземельные элементы имеют дополнительный слой электронов, называемый электронной F-оболочкой. Эта «сверхнормативная» доза электронов позволяет магниту сохранять свои свойства при повышенных температурах.
Для увеличения прочности и устойчивости свойств постоянного магнита производители с помощью нагрева и давления фактически сваривают порошки редкоземельных элементов. Это создаёт объёмный магнит, который охлаждают и нарезают на фрагменты различной формы. Готовые магниты могут представлять собой небольшие кусочки, не толще долларовой купюры для динамика iPhone, или могут быть сформированы в большие клинья и спечены вместе для создания магнитов, используемых в ветряных турбинах.
А вот как выглядит и сам тетратенит.
Но нагрев тетратенита до требуемых уровней разрушает связи между атомами в сплаве и их тетрагональную структуру, которая придаёт материалу впечатляющие магнитные свойства. «Задача состоит не в том, чтобы создать тетрагоналы, а в том, чтобы сохранить их в этом состоянии в условиях реальной эксплуатации», — говорит Том Лограссо, директор Института критически важных материалов министерства энергетики США.
Если какая-либо группа учёных найдёт способ решения названных проблем, это станет настоящим прорывом, который изменит всю систему глобальных цепочек поставок магнитных материалов, необходимых для сверхсовременных технологий. Это было бы благом для реализации энергетического перехода и одновременно снизило бы экологический ущерб, причиняемый добычей и переработкой РЗМ.
Является ли синтез тетратенита волшебным средством, вопрос остаётся открытым. Но если мы сможем использовать космический металл, получаемый прямо здесь, на Земле, то для увеличения производства постоянных магнитов нам не потребуются новые огромные рудники.
Перевод Виктора Симионова
