Gli scienziati dei materiali hanno previsto e costruito due nuovi materiali magnetici, atomo per atomo, utilizzando modelli computazionali ad alto rendimento. Il successo segna una nuova era per la progettazione su larga scala di nuovi materiali magnetici a una velocità senza precedenti.

Sebbene i magneti abbondino nella vita di tutti i giorni, sono in realtà delle rarità:solo il cinque percento circa dei composti inorganici conosciuti mostra anche un accenno di magnetismo. E di quelli, solo poche dozzine sono utili nelle applicazioni del mondo reale a causa della variabilità delle proprietà come l'intervallo di temperatura effettivo e la permanenza magnetica.

La relativa scarsità di questi materiali può renderli costosi o difficili da ottenere, portando molti a cercare nuove opzioni data l'importanza dei magneti in applicazioni che vanno dai motori alle macchine per la risonanza magnetica (MRI). Il processo tradizionale prevede poco più di tentativi ed errori, poiché i ricercatori producono diverse strutture molecolari nella speranza di trovarne una con proprietà magnetiche. Molti magneti ad alte prestazioni, però, sono singolari stranezze tra tendenze fisiche e chimiche che sfidano l'intuizione.

In un nuovo studio, gli scienziati dei materiali della Duke University forniscono una scorciatoia in questo processo. Mostrano la capacità di prevedere il magnetismo in nuovi materiali attraverso modelli computerizzati in grado di esaminare centinaia di migliaia di candidati in breve tempo. E, per dimostrare che funziona, hanno creato due materiali magnetici mai visti prima.

I risultati appaiono il 14 aprile 2017, in Progressi scientifici .

"Prevedere i magneti è un lavoro dannato e la loro scoperta è molto rara, " disse Stefano Curtarolo, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e direttore del Center for Materials Genomics alla Duke. "Anche con il nostro processo di screening, ci sono voluti anni di lavoro per sintetizzare le nostre previsioni. Speriamo che altri utilizzino questo approccio per creare magneti da utilizzare in un'ampia gamma di applicazioni".

Il gruppo si è concentrato su una famiglia di materiali chiamati leghe di Heusler, materiali realizzati con atomi di tre diversi elementi disposti in una delle tre strutture distinte. Considerando tutte le possibili combinazioni e disposizioni disponibili utilizzando 55 elementi, i ricercatori avevano 236, 115 potenziali prototipi tra cui scegliere.

Per restringere l'elenco, i ricercatori hanno costruito ogni prototipo atomo per atomo in un modello computazionale. Calcolando come gli atomi probabilmente interagirebbero e l'energia che ogni struttura richiederebbe, la lista si è ridotta a 35, 602 composti potenzialmente stabili.

Da li, i ricercatori hanno condotto un test di stabilità più rigoroso. Parlando in generale, i materiali si stabilizzano nella disposizione richiedendo la minor quantità di energia per essere mantenuti. Confrontando ogni composto con altre disposizioni atomiche e scartando quelli che sarebbero stati battuti dalla concorrenza, l'elenco si è ridotto a 248.

Di quei 248, solo 22 materiali hanno mostrato un momento magnetico calcolato. Il taglio finale ha lasciato cadere qualsiasi materiale con strutture alternative concorrenti troppo vicine per il comfort, lasciando 14 candidati finali da portare dal modello teorico al mondo reale.

Ma come risulta la maggior parte delle cose in un laboratorio, sintetizzare nuovi materiali è più facile a dirsi che a farsi.

"Possono volerci anni per realizzare un modo per creare un nuovo materiale in un laboratorio, " ha detto Corey Oses, dottorando nel laboratorio di Curtarolo e secondo autore del paper. "Ci possono essere tutti i tipi di vincoli o condizioni speciali necessarie per stabilizzare un materiale. Ma scegliere tra 14 è molto meglio di 200, 000."

Per la sintesi, Curtarolo e Oses si rivolsero a Stefano Sanvito, professore di fisica al Trinity College di Dublino, Irlanda. Dopo anni di tentativi di creare quattro dei materiali, Sanvito ci è riuscito con due.

Entrambi erano, come previsto, magnetico.

Il primo materiale magnetico appena coniato era fatto di cobalto, manganese e titanio (Co2MnTi). Confrontando le proprietà misurate di magneti strutturati in modo simile, i ricercatori sono stati in grado di prevedere le proprietà del nuovo magnete con un alto grado di precisione. Di particolare rilievo, hanno previsto che la temperatura alla quale il nuovo materiale ha perso il suo magnetismo fosse di 940 K (1232 gradi Fahrenheit). Nella prova, la "temperatura Curie" effettiva si è rivelata essere 938 K (1228 gradi Fahrenheit), un numero eccezionalmente alto. Questo, insieme alla sua mancanza di elementi di terre rare, lo rende potenzialmente utile in molte applicazioni commerciali.

"Molti magneti permanenti ad alte prestazioni contengono elementi di terre rare, " disse Oses. "E i materiali delle terre rare possono essere costosi e difficili da acquisire, in particolare quelli che si possono trovare solo in Africa e Cina. La ricerca di magneti privi di materiali delle terre rare è fondamentale, soprattutto perché il mondo sembra rifuggire dalla globalizzazione".

Il secondo materiale era una miscela di manganese, platino e palladio (Mn2PtPd), che si è rivelato essere un antiferromagnete, il che significa che i suoi elettroni sono equamente divisi nei loro allineamenti. Questo porta il materiale a non avere un proprio momento magnetico interno, ma rende i suoi elettroni sensibili ai campi magnetici esterni.

Sebbene questa proprietà non abbia molte applicazioni al di fuori del rilevamento del campo magnetico, dischi rigidi e memoria ad accesso casuale (RAM), questi tipi di magneti sono estremamente difficili da prevedere. Tuttavia, i calcoli del gruppo per le sue varie proprietà sono rimasti esatti.

"Non importa se uno di questi nuovi magneti si rivelerà utile in futuro, " ha detto Curtarolo. "La capacità di prevedere rapidamente la loro esistenza è un grande colpo e sarà preziosa per gli scienziati dei materiali che vanno avanti".