Seltenerdmetalle seien in allen Technologien allgegenwärtig geworden, weil sie bei ihrer Entdeckung in den 1960er Jahren einen „großen Sprung“ in der Energiedichte von Magneten darstellten, sagt Matthew Kramer, leitender Wissenschaftler am Ames National Laboratory.
Eines der wichtigsten Maßstäbe für die Eigenschaften eines Magneten ist seine Energiedichte, gemessen in Mega-Gauss-Oersted (MGOe). Während die Ferritmagnete an Ihrem Kühlschrank wahrscheinlich einen MGOe-Wert von etwa 5 haben, sind Magnete auf Neodymbasis viel stärker und erreichen etwa 50 MGOe.
Seltenerdmetalle wie Neodym sind derzeit ein wichtiger Bestandteil von Permanentmagneten, da sie andere Metalle in eine Anordnung bringen können, die dabei hilft, ein starkes Magnetfeld zu erzeugen.
Permanentmagnete erzeugen Magnetfelder aufgrund rotierender Elektronen, kleiner geladener Teilchen in Atomen. Verschiedene Elemente verfügen über eine unterschiedliche Anzahl freier Elektronen, die unter bestimmten Umständen dazu gebracht werden können, sich in die gleiche Richtung zu drehen und so ein Magnetfeld zu erzeugen. Je mehr Elektronen frei sind und sich in die gleiche Richtung drehen, desto stärker ist das Magnetfeld.
Eisen hat viele freie Elektronen, aber ohne eine übergreifende Struktur neigen sie dazu, sich in verschiedene Richtungen zu drehen und sich gegenseitig aufzuheben. Die Zugabe von Neodym, Dysprosium und anderen Seltenerdmetallen kann dazu beitragen, Eisenatome so anzuordnen, dass ihre Elektronen zusammenarbeiten können, was zu starken Magneten führt.
Eisennitrid schafft, was nur wenige andere Materialien können: Es ordnet Eisen in einer Struktur an, die auf diese Weise Elektronen zusammenwirbelt und sie ausgerichtet hält – es sind keine Seltenerdmetalle erforderlich.
„Wenn man den Stickstoff dazu bringen könnte, diese Eisen auf die richtige Weise zu verteilen, sollte man möglicherweise in der Lage sein, einen wirklich, wirklich guten Permanentmagneten zu bekommen“, sagt Kramer. Das habe sich jedoch als Herausforderung erwiesen, fügt er hinzu, da es schwierig sei, diese Materialien in großen Mengen herzustellen und die komplexe Chemie so zu nutzen, dass sie gezwungen würden, ihre Magnetisierung beizubehalten.
Von der Idee zur Ausführung
Nachdem Wang in der Lage war, dünne Eisennitridfilme zuverlässig herzustellen, bestand der nächste Schritt darin, herauszufinden, wie man es in großen Mengen herstellt, zermahlt und zu Magneten zusammenpresst.