在材料科学领域取得的一项新进展，为开发新一代高性能磁体提供了可能。SKIF集体使用中心同步加速器研究部的高级研究员米哈伊尔·普拉图诺夫，提出了一种创新的磁性增强方法。该方法通过在晶格中精准替换3d金属离子，从而显著提升了单晶的磁性。这项研究成果不仅为制造无需昂贵稀土元素的磁体开辟了新途径，还展示了在电子、能源和空间技术等领域的广泛应用潜力。
SKIF集体使用中心同步加速器研究部高级研究员米哈伊尔·普拉图诺夫(Mikhail Platunov)。照片：Vladislav Nekrasov
普拉图诺夫及其团队的研究结果已近期在国际知名期刊《无机学》(MDPI)和《Materialia》(Elsevier)上发表。研究指出，通过针对性地在晶体结构中替换特定离子，可以有效控制材料的磁特性。这一发现对于克服当前稀土磁铁在资源获取、环境风险和地缘政治依赖等方面的局限性具有重要意义。
永磁体作为现代技术的基石，无需外部磁场即可保持磁化状态，广泛应用于从电子存储设备到风力发电机的各个领域。然而，传统稀土磁铁如钕、镨和镝磁铁的制造依赖于稀土元素，这些元素的开采和加工不仅成本高，还伴随着严重的环境污染问题。此外，全球稀土资源的分布不均，特别是中国占据主导地位，使得全球磁铁行业面临市场和地缘政治风险。
针对这一挑战，普拉图诺夫团队探索了不含稀土元素的替代材料。他们利用具有复杂晶体结构的矿物硼铁矿作为模型，通过在晶格特定位置替换原子，显著改善了材料的磁性。实验数据显示，这种方法不仅提高了磁转变温度70开尔文以上，还使得矫顽场在低温下达到了9特斯拉以上的值，远超常见稀土磁体的4至6.5特斯拉。
图示说明了钴离子取代铁离子的控制方法和原理，从而导致矫顽力的增加。绘图：M. Platunov
“我们研究了原子电荷排序对钴铁矿模型单晶及其改良成分的磁性的影响，并利用同步加速器技术深入分析了3d金属离子分布对材料磁性的影响。”普拉图诺夫博士表示，“实验数据证实了不同磁性亚晶格间的相互作用对材料最终特性的显著影响。”
此外，这项研究还为科研团队能力的培养和复杂同步加速器技术的开发奠定了基础。普拉图诺夫补充说：“我们希望这些技术能够在2019年SKIF同步加速器投入使用后在俄罗斯得到广泛应用，为材料科学领域带来更多创新。”
这项工作得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部的支持，并在独特的科学设施“EXAFS光谱站”的现代化和研究项目框架内开展。这一研究成果不仅为高性能磁体的开发提供了新的思路，也为解决稀土资源依赖和环境问题提供了可行的解决方案。
