pallohiili

Mittatilausmagneetteja molekyylikikkailulla

Pe, 08/07/2015 - 10:55 Markus Hotakainen

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet tekemään magneettiseksi metalleja, jotka eivät ole sellaisia luonnostaan. Itse asiassa normaalilämpötiloissa ferromagneettisia aineita – jotka magnetoituvat helposti ja myös säilyttävät magneettisuutensa, vaikka eivät olisikaan magneettikentässä – on vain kolme: rauta, koboltti ja nikkeli.

"Magneettisten aineiden suppea valikoima rajoittaa mahdollisuuksiamme kehittää erilaisissa sovelluksissa tarvittavia magneettisia järjestelmiä ilman hyvin harvinaisten tai myrkyllisten materiaalien käyttöä. Laitteiden rakentaminen kolmen luonnostaan magneettisen aineen avulla muistuttaa pilvenpiirtäjän pystyttämistä kankiraudasta. Miksi emme lisäisi vähän hiiltä, jolloin saamme terästä?" pohtii Leedsin yliopiston tutkijaryhmään kuulunut Tim Moorsom.

Aineen magneettisuuden määrittelee niin sanottu Stonerin kriteeri. Leedsin yliopistossa on kehitetty menetelmä, jolla tätä matemaattista lauseketta voidaan muokata siten, että aineesta tulee magneettinen. Se edellyttää aineessa esiintyvien kvanttivuorovaikutusten muuttamista.

"Magnetismin aikaansaaminen aineissa, jotka eivät luonnostaan ole magneettisia, avaa uusia mahdollisuuksia kehittää laitteita, joissa käytetään yleisiä ja vaarattomia aineita kuten hiiltä ja kuparia", lupailee tutkijaryhmään niin ikään kuulunut Fatma Al Ma’Mari.

"Tulevaisuuden tekniikka, esimerkiksi kvanttitietokoneet, vaativat uudenlaisia magneetteja, joilla on erityisominaisuuksia, jotta tallennus- ja tietojenkäsittelykapasiteetin kasvattaminen käy mahdolliseksi. Tutkimuksemme on askel kohti 'magneettisia metamateriaaleja', jotka täyttävät nämä vaatimukset."

Leedsin yliopistossa 1960-luvulle saakka työskennelleen professori Edmund Clifton Stonerin kehittämä kriteeri tarkastelee elektronien jakaumaa atomissa ja niiden välisen vuorovaikutuksen voimakkuutta. Sen mukaan ferromagneettisissa aineissa eri energiatiloissa olevien elektronien määrä noudattaa tiettyä säännönmukaisuutta.

Leedsin yliopiston tutkijat onnistuivat muokkaamaan elektronien jakaumaa siten, että aine muuttuu magneettiseksi. Temppu tehdään C60- eli pallohiilellä, jolla haluttu aine pinnoitetaan ohuelti. Elektronien siirtyminen metallista pallomaiseen hiilimolekyyliin saa aikaan Stonerin kriteerin täyttymisen ja aine muuttuu magneettiseksi.

"Jo aiemmin oli todettu, että molekyylipinnoitteella voidaan muuttaa magneettien ominaisuuksia. Seuraavaksi halusimme kokeilla, josko molekyyleillä voitaisiin myös muuttaa ei-magneettisia metalleja magneettisiksi", tutkimusta johtanut Oscar Cespedes yksinkertaistaa. 

Tutkimus osoittaa, että menetelmä toimii, mutta seuraavaksi tavoitteena on tehdä magneeteista voimakkaampia. "Tällä hetkellä näitä magneetteja ei saisi pysymään jääkaapissa. Uskomme kuitenkin, että soveltamalla tekniikkaa oikeanlaiseen alkuaineiden yhdistelmään saadaan kehitettyä uudenlaisia mittatilausmagneetteja, joita voidaan käyttää sekä nykyisissä että tulevissa teknisissä sovelluksissa", Cespedes toteaa toiveikkaana.

Läpimurrosta kerrottiin Leedsin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus julkaistiin Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: University of Leeds