Liệu có cách nào làm cho bất kỳ một kim loại nào cũng trở thành kim loại có từ tính như sắt, coban và niken?
Khả năng biến kim loại thành “nam châm” có từ tính
Trong số 91 kim loại mà chúng ta biết cho đến ngày nay, chỉ có 3 trong số chúng thực sự có từ tính ở nhiệt độ phòng: sắt, coban và niken. Điều này đặt ra một vấn đề nan giải rằng bất cứ khi nào chúng ta muốn chế tạo một thiết bị cần vật liệu từ tính như máy chụp cộng hưởng từ MRI, ổ đĩa cứng hay tua bin gió… chúng ta chỉ có 3 lựa chọn ít ỏi trong số các kim loại.
Liệu có cách nào làm cho bất kỳ một kim loại nào cũng trở thành kim loại có từ tính?
Hình ảnh đồ họa mô phỏng hiệu ứng biến kim loại phi từ thành từ tính
Một nhóm các nhà khoa học đến từ trường Đại học Leeds đã có thể làm được điều này. Bước đầu họ đã khiến mangan và đồng cũng trở thành một vật liệu từ. Công trình đột phá này đã được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature Material Science chuyên mục về khoa học vật liệu. Mặc dù từ tính đạt được còn tương đối yếu, đây thực sự là một hướng nghiên cứu hứa hẹn. Các nhà khoa học nghĩ rằng bằng cách này họ có thể biến bất kỳ kim loại nào thành kim loại từ tính.
“Việc có thể biến một kim loại trở thành kim loại từ tính sẽ mở ra một con đường mới cho các thiết bị sử dụng vật liệu từ. Chúng ta có thể dễ dàng có được những nguồn nguyên liệu dồi dào hơn và ít độc hại hơn chẳng hạn như đồng và carbon”, Fatma Al Ma’Mari, đồng tác giả nghiên cứu đến từ Đại học Leeds cho biết.
“Các thiết bị của tương lai như máy tính lượng tử sẽ đòi hỏi một loại vật liệu từ tính mới giúp tăng khả năng lưu trữ và xử lí. Nghiên cứu của chúng tôi là một bước tiến quan trọng tiến tới việc tạo ra “siêu vật liệu từ” để đáp ứng nhu cầu này”.
Trên thực tế, hầu như tất cả các kim loại đều hưởng ứng tạm thời với từ trường chúng có thể thuộc loại thuận từ hoặc nghịch từ. Tuy nhiên, các kim loại này đều là các kim loại phi từ, chỉ có sắt, coban và niken có tính sắt từ. Tính sắt từ là một tính chất quan trọng và có cực kì nhiều ứng dụng từ việc chế tạo nam châm vĩnh cửu đến các lõi biến thế, thẻ từ, ổ cứng, tua bin gió…
Trong công trình nghiên cứu của các nhà khoa học, họ chế tạo một lớp đồng và mangan cực mỏng và được bọc trong một lớp phân tử hữu cơ có thù hình đặc biệt. Đó là các quả bóng Buckyball với 60 nguyên tử carbon và dày khoảng 1 nanomet. Mục đích của việc này là loại bỏ một số electron của kim loại. Điều này cho phép chúng vượt qua tiêu chuẩn Stoner và trở thành kim loại có từ tính. Tiêu chuẩn Stoner chính là rào cản để một vật liệu có hoặc không có tính sắt từ.
Cấu trúc Buckyball với 60 nguyên tử Carbon
Đồng tác giả của nghiên cứu, Oscar Cespedes đến từ Đại học Leeds nói với IFLScience rằng từ tính mà đồng và mangan đạt được vẫn còn rất nhỏ. Trong trường hợp của đồng, tính sắt từ của nó chỉ bằng 1 phần 10 niken, yếu hơn sắt 30 lần. Mangan thì chỉ đạt được một nửa so với đồng.
Bên cạnh đó, họ cũng phát hiện ra một nguyên nhân khiến tính sắt từ của chúng mất đi theo thời gian. Đó chính là quá trình oxy hóa, khi oxy trong không khí kết hợp với đồng và mangan tạo thành oxide. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra đồng sẽ bị oxy hóa mạnh hơn mangan.
Tuy nhiên, điều lớn nhất mà nhóm nghiên cứu phải đối mặt đó là vấn đề kích thước. Có những hiện tượng đặc biệt chỉ xảy ra khi các vật liệu ở kích thước nano và hiệu ứng từ này là một trong số đó. Chỉ cần màng kim loại đạt kích thước lớn tới milimet, hiệu ứng này sẽ biến mất. Tuy nhiên, Cespedes nói rằng có thể có giải pháp cho vấn đề này. Họ hòa tan các quả bóng Bukyball hay các ống nano carbon trong kim loại nóng chảy. Điều này cũng có thể tạo ra hiệu ứng lấy đi các electron của kim loại.
Có thể có những vật liệu từ thân thiện môi trường hơn cho các ổ cứng
Nói về tiềm năng ứng dụng của nghiên cứu đột phá này, Cespedes tỏ ra rất lạc quan. Ông nói rằng nghiên cứu có thể mở đường cho việc sử dụng các vật liệu từ thân thiện với môi trường. Điển hình như việc lưu trữ dữ liệu bằng các ổ đĩa từ. Hi vọng trong tương lai gần, các nhà khoa học có thể nâng cao được hiệu suất của quá trình chuyển đổi độc đáo này và ứng dụng chúng vào cuộc sống. Rồi sẽ có ngày nam châm có thể hút bất kể một kim loại nào.