Starke Magnete ohne Seltene Erden oder Edelmetalle entwickelt

Ein Forschungsteam der Georgetown University hat eine neue Klasse leistungsstarker Magnete entdeckt, die vollständig ohne seltene Er­den und Edelmetalle auskommt. Dieser Durchbruch könnte weit­rei­chen­de Folgen für zahlreiche Anwendungen haben.

Auf Bor-Basis

Magnete gelten als Schlüsseltechnologie vieler moderner Geräte. Besonders wichtig ist dabei die sogenannte magnetische Anisotropie, die Eigenschaft eines Materials, seine Magnetisierung dauerhaft in einer bevorzugten Richtung auszurichten. Bislang waren dafür meist Elemente der Seltene Erden-Gruppe oder Edelmetalle nötig. Beide sind nicht nur kostenintensiv und ökologisch problematisch, sondern auch anfällig für geopolitische Risiken und Lieferengpässe.

Das Team um die Physikprofessoren Kai Liu und Gen Yin sowie den Doktoranden Willie Beeson hat nun eine Alternative gefunden: sogenannte High-Entropy-Boride, die aus gängigen Übergangsmetallen und Bor bestehen. High-Entropy-Materialien enthalten mindestens fünf Elemente in etwa gleichen Anteilen; ihr großer Gestaltungsspielraum ermöglicht völlig neue Materialeigenschaften. In der Vergangenheit konzentrierte sich die Forschung auf kubische, chemisch ungeordnete Strukturen - allerdings eignen sich diese kaum für starke Anisotropie.


Die Georgetown-Forschenden setzten dagegen auf Boride, bei denen Bor für mehr chemische Ordnung und geringere Symmetrie sorgt. Ziel war eine tetragonale Kristallstruktur, die sogenannte C16-Phase. Während diese Struktur in einfachen Borverbindungen bekannt ist, wurde sie bislang kaum in komplexeren Materialsystemen untersucht.

Billiger zum Ziel

Beeson gelang es mithilfe einer kombinatorischen Sputtertechnik, zahlreiche Varianten dieser Boride gleichzeitig herzustellen und deren Zusammensetzung systematisch zu variieren. Die Ergebnisse, die im Fachjournal Advanced Materials veröffentlicht wurden, sind bemerkenswert: Einige der neu entwickelten Boride erreichen eine magnetische Anisotropie, die in die Nähe klassischer Seltene-Erden-Magnete kommt - und übertrifft alle bisherigen seltene-erden-freien High-Entropy-Materialien.

Computersimulationen bestätigten die Messungen und zeigten, dass die optimierte Elektronenstruktur und das effektive magnetische Moment entscheidend zum Erfolg beitragen. Die Forschenden sehen darin großes Potenzial für nachhaltige Magnettechnologien, etwa für energieeffiziente Permanentmagnete, spintronische Bauelemente oder hitzeunterstützte Speichermedien.


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