Le remplacement potentiel d'un aimant de terres rares a été découvert

En collaboration avec des collègues autrichiens, des chercheurs de l'Université de Cambridge ont découvert que la tétrataenite, un "aimant cosmique" qui met des millions d'années à se développer naturellement dans les météorites, peut potentiellement être utilisée à la place des aimants de terres rares.

Auparavant, les tentatives de fabrication de tétrataenite en laboratoire dépendaient de méthodes extrêmes et peu pratiques, mais cela devrait changer avec l'utilisation par le chercheur de l'élément commun phosphore. En utilisant du phosphore, il est possible de produire de la tétrataenite artificiellement et à grande échelle, sans aucun traitement spécialisé ni techniques coûteuses.

L'article, intitulé "Formation directe de tétrataenite magnétique dur dans des pièces moulées en alliage en vrac", est publié dans la revue Advanced Science. Cambridge Enterprise, la branche de commercialisation de l'université, et l'Académie autrichienne des sciences ont déposé une demande de brevet pour la technologie.

Pour construire une économie zéro carbone, un approvisionnement en aimants performants est nécessaire. Actuellement, les meilleurs aimants permanents disponibles sur le marché contiennent des éléments de terres rares qui, malgré leur nom, existent en abondance dans la croûte terrestre.

Cependant, il est difficile de garantir un approvisionnement fiable en terres rares, car la Chine contrôle la majorité de la production mondiale. Il a été signalé que 81 % des terres rares dans le monde provenaient de Chine en 2017. Il existe d'autres pays qui exploitent des terres rares, comme l'Australie, mais avec l'augmentation des tensions géopolitiques avec la Chine, l'approvisionnement actuel en terres rares pourrait être menacé.

Le professeur Lindsay Greer, du Département des sciences des matériaux et de la métallurgie de Cambridge, a déclaré : « Des gisements de terres rares existent ailleurs, mais les opérations minières sont très perturbatrices, car il faut extraire une énorme quantité de matière pour obtenir un petit volume de terres rares.

"Entre les impacts environnementaux et la forte dépendance à l'égard de la Chine, il y a eu une recherche urgente de matériaux alternatifs qui ne nécessitent pas de terres rares."

L'une des alternatives les plus prometteuses pour les aimants permanents est la tétrataenite, un alliage fer-nickel à structure atomique ordonnée. Le matériau se forme sur des millions d'années à mesure qu'une météorite se refroidit lentement. Cela offre aux atomes de fer et de nickel suffisamment de temps pour s'ordonner dans une séquence d'empilement particulière au sein de la structure cristalline, ce qui donne un matériau aux propriétés magnétiques similaires à celles des aimants de terres rares.

Dans les années 1960, la tétrataenite a été formée artificiellement en soufflant des alliages fer-nickel avec des neutrons, permettant aux atomes de former l'empilement ordonné souhaité. Cependant, cette technique est inadaptée à la production de masse.

"Depuis lors, les scientifiques ont été fascinés par l'obtention de cette structure ordonnée, mais cela a toujours semblé être quelque chose de très éloigné", a déclaré Greer, qui a également dirigé la recherche.

Au fil des ans, de nombreux scientifiques ont tenté de fabriquer de la tétrataenite à l'échelle industrielle, mais cela n'a pas été possible.

Aujourd'hui, Greer et ses collègues de l'Académie autrichienne des sciences et de la Montanuniversität de Leoben ont trouvé une alternative potentielle qui évite ces méthodes extrêmes.

L'équipe a étudié les propriétés mécaniques des alliages fer-nickel contenant de petites quantités de phosphore, présent dans les météorites. À l'intérieur de ces matériaux se trouvaient un motif de phases qui indiquait la structure de croissance attendue en forme d'arbre appelée dendrites.

"Pour la plupart des gens, cela se serait terminé là : rien d'intéressant à voir dans les dendrites, mais quand j'ai regardé de plus près, j'ai vu un motif de diffraction intéressant indiquant une structure atomique ordonnée", a déclaré le premier auteur, le Dr Yurii Ivanov, qui a terminé le travail tout en à Cambridge et est maintenant basé à l'Institut italien de technologie de Gênes.

Initialement, le diagramme de diffraction de la tétrataenite ressemble à la structure attendue pour les alliages fer-nickel, à savoir un cristal désordonné sans intérêt en tant qu'aimant haute performance. Un examen plus approfondi d'Ivanov a identifié la tétrataenite.

Selon l'équipe, le phosphore permet aux atomes de fer et de nickel de se déplacer plus rapidement, leur permettant de former l'empilement ordonné nécessaire sans attendre des millions d'années. Ils ont pu accélérer la formation de tétrataenite de 11 à 15 ordres de grandeur en mélangeant du fer, du nickel et du phosphore dans les bonnes quantités. Cela signifiait que le matériau pouvait se former en quelques secondes en coulée simple.

"Ce qui était si étonnant, c'est qu'aucun traitement spécial n'était nécessaire. Nous avons juste fait fondre l'alliage, l'avons versé dans un moule et nous avions de la tétrataenite", a déclaré Greer. "La vision précédente sur le terrain était que vous ne pouviez pas obtenir de tétrataenite à moins de faire quelque chose d'extrême, car sinon, vous devriez attendre des millions d'années pour qu'elle se forme. Ce résultat représente un changement total dans la façon dont nous pensons à ce sujet. matériel."

Bien que cette méthode soit prometteuse, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour décider si elle conviendra aux aimants à haute performance. L'équipe espère collaborer avec les principaux fabricants d'aimants pour déterminer cela.

Les résultats de cette étude pourraient changer les opinions sur la durée de développement de la tétrataenite.

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