Hvordan materialer utvikles for fremtidige teknologier: Magnetiske materialer i det 21. århundre

Materialvitenskap har alltid vært en integrert del av menneskelig utvikling. Fra de tidlige tider, hvor materialer som stein, leire og tre ble brukt til å bygge fundamentet for sivilisasjonene, til dagens avanserte materialer som driver teknologi og industri. Enten vi ser på Bronze Age eller Silicon Age, har menneskeheten utviklet sin teknologiske kapasitet ved å utnytte materialer på en mer sofistikert måte. I dag er det nettopp materialene som står sentralt i løsningen på flere globale utfordringer, fra bærekraftig energiutnyttelse til helseteknologi. Spesielt magnetiske materialer, som et felt innen materialvitenskap, er i ferd med å spille en avgjørende rolle i fremtidens teknologier.

Magnetiske materialer har vært grunnleggende for utviklingen av teknologier som elektromotorer, transformatorer og harddisker, og deres betydning vokser i takt med den teknologiske utviklingen. Disse materialene reagerer på påførte magnetiske felt og kan klassifiseres i ulike kategorier basert på hvordan de reagerer på disse feltene. For eksempel, ferromagnetiske materialer, som har en sterk magnetisk respons, og diamagnetiske materialer, som motstår magnetiske felt. Denne klassifiseringen gjør det lettere å forstå hvordan ulike magnetiske materialer kan brukes i spesifikke applikasjoner, fra elektronikk til energilagring.

En av de mest spennende områdene innen magnetisk materialforskning er utviklingen av topologiske isolatorer. Disse materialene har uvanlige elektroniske egenskaper og kan brukes til å lage mer effektive elektroniske komponenter, som kan være essensielle i fremtidens kvantecomputere. Det er også rapportert om store fall i resistivitet og effekter som Giant Magnetoresistance (GMR) og Colossal Magnetoresistance (CMR), som har potensiale til å forbedre energilagring og sensorsystemer betraktelig.

Videre, når man ser på den teknologiske utviklingen i magnetiske materialer, er det blitt klart at materialenes egenskaper kan endres dramatisk ved å justere deres dimensjonalitet. Det betyr at materialene kan endre seg avhengig av om de er i en 0D, 1D, 2D eller 3D-struktur, som igjen kan påvirke deres elektriske og magnetiske egenskaper. Dette har ført til et eksplosivt vekstområde innen nanoteknologi, hvor materialene blir designet for å operere på atomært nivå, noe som kan åpne for helt nye bruksområder, spesielt innen mikroelektronikk og høyteknologisk produksjon.

Denne raske utviklingen innen materialforskning peker på behovet for et bredere spekter av materialer som kan møte fremtidens behov. Innenfor magnetiske materialer vil vi trolig se mer sofistikerte, kostnadseffektive løsninger for energilagring, kommunikasjon og helseteknologi. For eksempel, i forbindelse med ren energi, vil utvikling av mer effektive materialer for batterier og andre energilagringssystemer være avgjørende for å oppnå målsetningene om netto nullutslipp og bærekraftige løsninger for fremtidige generasjoner.

Det er også viktig å merke seg at utviklingen av magnetiske materialer, på tross av all fremgang, ikke er uten utfordringer. Selv om teknologien rundt materialenes egenskaper har blitt mer sofistikert, er det fortsatt store utfordringer knyttet til produksjonsprosesser, kostnader og effektivitet. Den store mengden energi og ressurser som kreves for å produsere de nyeste materialene, gjør at forskere i økende grad fokuserer på hvordan man kan utvikle effektive metoder for å fremstille materialene ved bruk av jordens rikelige ressurser, i tråd med bærekraftige prinsipper.

Fremtidens utvikling av magnetiske materialer vil i stor grad påvirkes av vår evne til å designe og fremstille disse materialene på en mer effektiv måte, samtidig som vi sørger for at de er tilgjengelige for en bredere del av samfunnet. Dette vil åpne for en ny æra av teknologiske fremskritt, fra forbedrede databehandlingssystemer til mer effektive energilagringsløsninger, og det er sannsynlig at vi vil se en massiv vekst innen områdene som elektronikk, helsevesen og bærekraftig energi.

Hvordan belegningslag påvirker magnetiske egenskaper av Co-baserte nanomaterialer

I analysen av beleggmaterialer på Co-baserte nanomaterialer kan forskjellige teknikker som FTIR-målinger og CHNS-elementanalysatorer gi nyttig informasjon om overflatebehandlingen. For eksempel, i tilfelle av Co-nanomaterialer belegg med oleinsyre/oleylamin (Dalavi og Panda, 2015), kan vi se spesifikke peaks i FTIR-spekteret som korresponderer med forskjellige funksjonelle grupper. Toppene ved 2924 og 2854 cm−1 er knyttet til CH2-gruppen, mens toppene ved 1430–1565 cm−1 indikerer tilstedeværelsen av karboksylatgruppen (–COO−). Fraværet av topper ved 1708, 1592 og 3325 cm−1 bekrefter at ren oleinsyre og oleylamin ikke er til stede på overflaten av nanopartiklene, og at de i stedet danner et syre-base kompleks bestående av –COO− og –NH3+ ioner. Etter annealing ved 600°C forsvinner toppene ved 2854–2924 cm−1, noe som tyder på at oleylgruppen brytes ned til ukjente karbonholdige forbindelser på overflaten av nanomaterialene.

CHNS-analysene av prøvene før og etter annealing viser interessante endringer i karbon-hydrogen-forholdet. Før annealing er C:H-forholdet omtrent 6:1, som tilsvarer det stoikiometriske forholdet i de forberedte prøvene. Etter annealing stiger dette forholdet til mellom 10:1 og 20:1, noe som indikerer dannelsen av karboksylholdige materialer som ikke er identiske med oleinsyre, oleylamin eller deres kombinerte komplekser.

Koersivitet (Hc) øker når partikkelstørrelsen reduseres til en viss størrelse, deretter går den mot null. Beleggede nanopartikler har generelt lavere Ms-verdi enn de ubehandlede på grunn av den ikke-magnetiske amorfe strukturen på overflaten. Denne forskjellen kan også tilskrives at de beleggede partiklene er mer ordnede i strukturen, i motsetning til de ubehandlede, som kan ha mer uordnet, krystallinsk struktur.

Magnetiske egenskaper ved lav temperatur (5-300 K) kan undersøkes ved å måle magnetisering under kjøling i felt (FC) og nullfelt (ZFC) forhold. For superparamagnetiske partikler viser ZFC-kurven en maksimal magnetisering ved blokkeringstemperaturen (TB). Denne informasjonen er essensiell for forståelsen av hvordan partikkelstørrelse og temperatur påvirker de magnetiske egenskapene, og den gir innsikt i superparamagnetismens atferd i Co-baserte nanomaterialer.

Den magnetiske responsen kan forbedres ved å belegge CoNi-nanopartikler med silika. Når silika-belagt CoNi-nanopartikler øker i vektprosent (fra 4% til 12%), observeres en økning i Ms, som kan forklares med fortynningseffektene av CoNi-nanopartiklene i den ikke-magnetiske silikamatriksen. Endringer i størrelsen og strukturen på nanopartiklene, samt intergrainutvekslingsinteraksjonene i silikamatriksen, kan være avgjørende faktorer for forbedringen i magnetiseringen.

Det er også viktig å merke seg at magnetiske egenskaper ikke bare er avhengige av de grunnleggende materialene, men også av deres strukturelle og kjemiske tilstand. Sammenhengen mellom partikkelstørrelse, overflatebehandling og sammensetning spiller en kritisk rolle i forståelsen av hvordan magnetisering, koersivitet og andre magnetiske parametere kan manipuleres i nanomaterialer for forskjellige applikasjoner, fra datalagring til medisinsk bildediagnostikk.