Mezi projekty, které Grantová agentura České republiky vyhodnotila jako vynikající, patří i nedávno ukončený projekt řešitele Dr. Martina Friáka z Ústavu fyziky materiálů AV ČR v Brně a spoluřešitelky doc. Vilmy Buršíkové z Masarykovy univerzity v Brně nazvaný „Teorií vedený vývoj nových superslitin na bázi Fe-Al“.
Cílem projektu bylo prohloubit naše znalosti týkající se magnetických materiálů obsahujících železo a hliník. Motivací k výzkumu byla (vedle zvídavosti všech účastníků projektu) zejména rostoucí poptávka po nových magnetických materiálech. Ty si našly cestu do celé řady výrobků kolem nás, od mobilních telefonů a elektromobilů až po tak komplikovaná průmyslová zařízení jako jsou větrné elektrárny. Problémem většiny silnějších magnetů je, že obsahují tzv. vzácné zeminy, jejichž těžba a následné zpracování mají velmi negativní ekologický dopad. Zmíněný projekt nabízí nový přístup při vývoji magnetických materiálů, které vzácné zeminy neobsahují.
Část řešitelského týmu (zleva: doc. Vilma Buršíková, Dr. Yvonna Jirásková, Dr. Jan Fikar, Dr. Martin Friák, Dr. Petr Dymáček a Dr. Ferdinand Dobeš). Foto doc. Jan Klusák z ÚFM AV ČR.
Jaká byla vaše motivace pro zkoumání právě magnetických materiálů?
V současné době se jedná o velmi aktivní oblast výzkumu vzhledem k rostoucí důležitosti magnetů, které jsou součástí například mnoha elektromotorů. V případě našeho projektu jsme hledali cesty, jak stávající magnety při zachování jejich chemického složení dále vylepšit. Silnější magnet znamená, že jej můžete při zachování funkčnosti zmenšit. To znamená úsporu váhy, což např. u elektromobilu může prodloužit jeho dojezdovou vzdálenost. Abychom mohli magnetické vlastnosti posílit, chtěli jsme nejdříve lépe porozumět souvislostí mezi magnetismem a strukturou materiálů.
O jaké struktuře konkrétně mluvíme?
My jsme se vydali až na úroveň atomů. Námi zkoumané kovové materiály měly krystalickou strukturu, podobně jako se s ní denně setkáváme např. u kuchyňské soli. V každém zrnku jsou atomy rozmístěny v prostoru geometricky pravidelně ve stejných vzdálenostech a tvoří uzly třírozměrné krystalové mříže. Krystalky v našich vzorcích byly ale menší, než je běžné u kuchyňské soli, a navíc spojené v jeden kompaktní celek.
A kde tam můžeme narazit na nepořádek?
Vedle oné geometrické pravidelnosti v rozmístění atomů v prostoru je velmi důležité, jaké atomy a jak přesně jsou v mříži umístěny. V našem případě to byly vedle atomů železa také atomy hliníku nebo dalších kovů. Atomy různých chemických prvků mohou být rozmístěny buď pravidelně, nebo bez nějakého systému. Pokud bychom si jako přirovnání vybrali šachovnici s tím, že černá a bílá pole by reprezentovala dva chemicky odlišné druhy atomů, pak by běžná šachovnice byla příkladem jednoho z pravidelných rozmístění. Ale můžeme si i představit, že by někdo vzal černou a bílou barvu a pole na šachovnici nějak náhodně přebarvil při zachování jejich poměru (polovina bílých a polovina černých), my bychom řekli koncentrace. Bílá pole by pak v takovém chaosu někde sousedila svými hranami nejen s poli černými, jak je obvyklé, ale i s bílými, což se na normální šachovnici nestává.
Jak by mohl nepořádek posílit magnetismus?
Magnetismus jednotlivých atomů popisuje veličina zvaná magnetický moment. Atomy železa ho mají mnohem větší než hliník, který je téměř nemagnetický. Pro nás bylo klíčové, že pokud nějaký atom železa obklopíte atomy hliníku, sníží se tím magnetický moment i tomu atomu železa. Vzhledem k tomu, že takové uspořádání atomů železa a hliníku snižuje jejich energii, což má příroda velmi ráda, je zde přirozená (termodynamická) tendence takto obklopit pokud možno všechny atomy železa. Magnetické vlastnosti jsou pak špatné i na makroskopické úrovni celého vzorku. Naším cílem bylo porušit toto dokonalé obklopení a magnetický moment atomů železa zvýšit. A zde nám právě pomohl nepořádek. V krystalech se přirozeně vyskytují různé druhy defektů, které narušují ono dokonalé obklopení např. tím, že se celá rovina atomů o jedno místo v krystalu posune. Tím umožní, že jsou alespoň některé atomy železa obklopeny jinými atomy železa, což jim všem zvýší magnetický moment a magnetické vlastnosti se zlepšují. Ale cenou je nárůst energie, který nesmí být moc velký. Náš výzkum se tedy soustředil na různé druhy defektů. Tam, kde na jejich zkoumání na atomární úrovni nestačilo rozlišení experimentálních metod, pomohli jsme si simulacemi na superpočítačích.
Víme dobře, že naše práce je výzkum základní, který má k aplikacím zatím daleko, ale ukázali jsme na novou cestu při přípravě silnějších magnetů a doufáme, že na něj v budoucnu někdo úspěšně naváže výzkumem aplikovaným a následným uplatněním v praxi. Foto doc. Jan Klusák z ÚFM AV ČR.
A jak moc se zvýší magnetismus krystalu s defekty?
Naše výpočty v případě jedné ze zkoumaných slitin železa, hliníku a titanu ukázaly, že magnetický moment se může zvýšit až o 140 %, což už je opravdu hodně. Jsme moc rádi, že jsme na takové možnosti zlepšení přišli a upozornili na ně. Využití tohoto jevu už ale není problém pro náš základní výzkum, ale spíše pro výzkum aplikovaný, kdy by se při výrobě magnetů defekty např. cíleně a kontrolovaně vytvářely. Doufáme, že na naši práci v budoucnu někdo úspěšně naváže, ale to je už úkol pro trošku jiný řešitelský tým.
Váš tým byl ale docela velký a pestrý už i teď, že?
Ano, to je pravda. Chtěli jsme se vyhnout situaci, kdy základní výzkum předpoví materiál s velmi slibnými vlastnostmi, ale následně se ukáže, že je např. tak křehký, že se z něj nedá nic vyrobit. Proto se náš tým skládal i z odborníků, kteří mechanické vlastnosti testovali nejen při pokojové teplotě (doc. Vilma Buršíková), ale také při teplotách vyšších (Dr. Ferdinand Dobeš a Dr. Petr Dymáček). K expertům na teoretické modelování (Dr. Petr Šesták, Dr. Jan Fikar, doc. Jiří Šremr a doc. Luděk Nechvátal) a měření magnetismu (Dr. Yvonna Jirásková) jsme také přizvali odborníky na termodynamiku (doc. Jana Pavlů) a další, kteří se věnují zjišťování struktury materiálů (Dr. Naděžda Pizúrová), abychom přesně věděli, co naše vzorky obsahují. Moje mnohaletá zkušenost z pobytů ve dvou ústavech Společnosti Maxe Plancka v Německu jasně ukazuje, že pro řešení složitějších problémů jsou takové multidisciplinární týmy téměř nutností. Navíc jsme spolupracovali s řadou zahraničních vědců v Německu, Rakousku a na Slovensku. Tím se podařilo vytvořit velmi inspirativní atmosféru mezinárodní vědecké spolupráce nejen pro nás, ale v průběhu let také pro celou řadu spolupracujících studentů (Bc. Anton Slávik, Bc. Miroslav Golian, Bc. Vojtěch Homola, Bc. František Zažímal, Bc. Tomáš Číž a Bc. Petr Skopal) a studentek (Bc. Ivana Miháliková, Mgr. Sabina Kovaříková Oweis, Mgr. Martina Mazalová, Mgr. et Bc. Nikola Koutná, Bc. Lenka Knoflíčková). Všem svým spolupracovníkům a spolupracovnicím, kteří se na výzkumu podíleli, bych chtěl tímto moc poděkovat za jejich vynikající práci!
Na úvodním obrázku: Když nestačilo rozlišení experimentálních metod, pomohli jsme si při našem zkoumání materiálů simulacemi na superpočítačích. Foto doc. Jan Klusák z ÚFM AV ČR.
Autor článku: Ústavu fyziky materiálů AV ČR