乔治城大学的研究人员成功发现了一类不依赖稀土或贵金属的新型强磁体。这一重要发现有望推动清洁能源系统和消费技术的快速发展，其应用范围广泛涵盖电动机、机器人、核磁共振成像设备、数据存储以及智能手机等多个关键领域，为未来的可持续磁体设计提供了极具潜力的全新思路。
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乔治城大学的研究人员发现了一类不依赖稀土或贵金属的新型强磁体。这一发现有望推动清洁能源系统和消费技术的发展，包括电动机、机器人、核磁共振成像（MRI）设备、数据存储和智能手机。
强磁体最重要的特性之一是其能够保持磁化方向沿特定优选方向排列。这种被称为磁各向异性的特性，对于许多现代磁技术至关重要。
如今，用于永磁体的最强材料严重依赖稀土元素。这些材料成本高昂，开采过程对环境破坏严重，且容易受到供应链中断和地缘政治不稳定的影响。在薄膜应用中，某些铁铂合金已成为下一代磁记录介质的领先候选材料，但它们依赖于贵金属铂。因此，寻找由丰富元素制成的高性能替代品仍然是一项重大的科学和技术挑战。
乔治城大学文理学院物理系的Kai Liu和Gen Yin教授团队，连同研究生Willie Beeson（G’25），现已发现了一种基于高熵硼化物的新型强磁体，该材料由丰富的过渡金属和硼制成。这些材料既不含稀土元素也不含贵金属，为可持续磁体设计提供了一种极具前景的新方法。研究结果发表在《Advanced Materials》上。
“我们提供了一种制造强磁体的可持续方法，这些磁体可用于从未来磁记录介质到永磁体的多种应用，”该研究的资深作者之一Liu表示。“更重要的是，这表明了有潜力减轻对磁体及其他应用中关键材料的依赖。”
高熵合金是由五种或更多元素以几乎相等的比例制成的材料。近年来，它们已成为发现新材料的重要平台，因为其广泛的可能成分可以产生独特的电子结构和特性。然而，对这些合金的大多数研究都集中在化学无序的立方结构上，而这并不适合产生强磁各向异性。该特性往往受益于低对称性的晶体结构。
乔治城大学团队通过专注于高熵硼化物来应对这一挑战。在这些材料中，硼有助于促进化学有序化和低对称性晶体结构。研究人员瞄准了一种四方晶体结构，类似于沿一侧拉伸的立方体，称为C16相。这种结构在由两三种元素制成的硼基材料中已是已知的，但在更复杂的材料中仍未得到充分探索。
Beeson在Liu的实验室中使用组合溅射方法合成了高熵硼化物。在此过程中，来自多个靶材的原子在收集到加热的基底上之前会充分混合。该技术还使团队能够快速探索多种材料成分。在单个基底上，可以在相同条件下同时生产大约50个样品，同时仍能改变它们的成分。
主要发现
发现一类新型强磁体： 该团队使用地壳中丰富的3d过渡金属（即元素周期表d区第一排的元素）在C16晶体结构中创造了首批高熵硼化物。这确立了一类新的有序高熵磁性材料。
通过化学混合增强各向异性： 通过引入多种3d过渡金属并通过组合共溅射系统地探索不同成分，研究人员能够使磁化倾向于特定方向，从而获得强得多的各向异性。
无稀土的创纪录性能： 新发现的五元硼化物成分显示出接近稀土永磁体的强磁各向异性，并超过了先前报道的无稀土高熵材料的数值。
理论与实验相吻合： 密度泛函理论计算证实了实验趋势，并表明优化的电子结构，特别是价电子浓度和有效磁矩，解释了增强的各向异性。
“我们正在继续探索在不同基础晶体结构上具有不同成分的更好永磁体或记录介质，”该研究的另一位资深作者Yin表示。“在机器学习的帮助下，我们希望取得更快速的进展。”
影响与应用
这些结果确立了一种硼辅助的高熵合成策略，仅使用地壳中丰富的元素即可产生强磁各向异性。这些材料对于需要高各向异性的技术特别有前景，包括： - 热辅助磁记录介质 - 自旋电子器件和磁隧道结 - 节能的无稀土永磁体
通过证明无需稀土元素且仅使用丰富的过渡金属即可工程化高磁各向异性，这项研究为可持续磁技术开辟了新途径。除了磁性之外，该研究还突显了有序高熵材料作为发现先进功能特性的平台所具有的广泛且仍在很大程度上未被探索的潜力。
资讯来源
- futura-sciences.com (2026-09-28)
- 原文： 为什么这些新型磁体能够让我们摆脱对稀土金属的依赖
- Futura-Sciences
- https://futura-sciences.com/en/heres-why-these-new-magnets-could-free-us-from-rare-earth-metals_900566