Российские исследователи улучшили свойства соединения тербия и железа. Этот материал устойчив к экстремально низким температурам (до -190°С). Созданные на его основе устройства можно использовать даже в космосе.
Кроме того, материал перспективен для использования в генераторах мощного звука и ультразвука, сенсорах магнитного поля и электрического тока, а также актуаторах — небольших приборах для микроперемещений тяжелых предметов. Работа выполнена сотрудниками подведомственных Минобрнауки России Уральского федерального университета (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н. Ельцина и Института физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения (УрО) РАН.
Соединение тербия и железа (феррит тербия) — известный магнитострикционный материал. Магнитострикция — это эффект, при котором материал во внешнем магнитном поле меняет свой размер и форму. Это свойство активно используется в различных устройствах, в том числе в магнитострикционных актуаторах. С помощью таких приборов можно точно управлять движением технических элементов, например, двигать линзы в оптических приборах.
Также эффект магнитострикции способен проявляться под высокими нагрузками. С его помощью без серьезных усилий можно перемещать многотонные зеркала космического телескопа.
Однако у соединения есть два недостатка, которые ограничивают его активное применение. Первый — это небольшой диапазон температур, при котором соединение проявляет свои свойства. Ученые решили эту проблему. Они выяснили, что расширить его и сделать материал пригодным для применения в условиях экстремально низких температур позволит легирование (добавление) марганца.
«В нашем соединении значение магнитострикции при температуре жидкого азота (примерно -193°С) на четверть выше, чем у исходного. Это может быть полезно в устройствах, применяемых в условиях Крайнего Севера и даже, например, на Марсе, где такая температура является атмосферной. Используемые там устройства для настройки оптики, телескопов и датчиков могут быть усовершенствованы с помощью нашего соединения. Они позволят сохранить точность отладки приборов в условиях перепада температур, который характерен для Марса. При этом при комнатной температуре наше соединение сохраняет магнитострикцию, не уступающую исходному ферриту тербия», — поясняет младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Александр Барташевич.
Второе ограничение связано с тем, что добиться высоких значений магнитострикции в феррите тербия возможно только в магнитном поле большем, чем может создать простейший недорогой электромагнит. Исследователи подчеркивают, что марганец уменьшает размер требуемого магнитного поля для получения высоких значений магнитострикции.
«Напряженность магнитного поля, требуемая для проявления свойств материала, изменяется в эрстедах. Так вот, если исходному соединению тербия и железа для проявления магнитострикции требовалось магнитное поле более 20 килоэрстед, то наше соединение способно показывать хорошие результаты при магнитном поле, равном 18. Это позволяет уменьшить электропотребление устройств, в основе которых будет наше соединение. Замещение тербия на марганец также позволяет снизить цену производства самого соединения, поскольку редкоземельные металлы стоят дороже, чем марганец», — добавляет старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел, доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Никита Кулеш.
По словам авторов, они первыми заместили редкоземельный тербий на нередкоземельный марганец. Ранее тербий в соединении замещали на диспрозий, также редкоземельный металл, который улучшал свойства соединения, но не удешевлял его производство.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.