Происхождение высокой коэрцитивности в магнитах на основе FeNi

Почему важны новые магниты

От ветряных турбин и электромобилей до смартфонов и медицинских томографов — мощные постоянные магниты незаметно обеспечивают работу современной техники. Сегодняшние самые сильные магниты основаны на редкоземельных элементах, добыча и переработка которых дороги и вызывают экологические и геополитические вопросы. В этом исследовании авторы обращаются к природе — и к крошечным структурам в метеоритах — чтобы проверить простой вопрос: можно ли создать прочные и стабильные магниты из обычных металлов, таких как железо и никель, без редкоземельных элементов, при тщательном контроле укладки материала?

Космические камни как подсказка

Железные метеориты содержат удивительный железо‑никелевый материал, известный как тетратаенит, который давно считали природным «космическим» магнитом. Он образует упорядоченную атомную решётку, что теоретически должно обеспечивать сильную и стабильную магнитность. Однако в метеоритах эта фаза встречается лишь в виде чрезвычайно мелких зерен, внедрённых в более сложную смесь минералов, и формируется в течение миллионов лет медленного остывания в космосе. Воспроизвести эту экзотическую структуру на Земле в полезных масштабах и за разумное время оказалось крайне трудно. Тем не менее некоторые лабораторно полученные железо‑никелевые сплавы уже демонстрируют удивительно высокую магнитную жёсткость, измеряемую коэрцитивностью, даже когда характерный тетратаенит почти отсутствует или вовсе не обнаруживается.

Создание крошечных проводов из простых ингредиентов

Исследователи решили проверить, действительно ли необычная магнитная жёсткость некоторых образцов железо‑никеля требует наличия этой редкой упорядоченной фазы, или же она может возникать из-за наномасштабной организации материала. Они расплавили железо, никель и фосфор, чтобы получить «мастер‑сплав», затем быстро отлили расплав в очень тонкие стеклооболоченные микропроволоки с разной скоростью охлаждения. Эксперименты с рентгеновской дифракцией и изображения в электронном микроскопе показали, что полученные проволоки содержат лишь два типа фаз: «мягкую» железо‑никелевую фазу с простой кубической атомной решёткой и фосфидную фазу шрайберзит. Важно, что железо‑никель образовалось в виде чрезвычайно маленьких плоских пластин — всего около 20 нанометров в поперечнике — распределённых в непрерывной матрице шрайберзита.

Как микроструктура превращает «мягкое» в «жёсткое»

Магнитные измерения при комнатной температуре показали, что эти наноструктурированные микропроволоки, состоящие только из «мягкого» железо‑никеля, встроенного в шрайберзит, имели коэрцитивные поля порядка 400–440 эрстедов — величины, сравнимые с теми, что приводят для материалов, заявляемых как содержащих жёсткий тетратаенит. Детальный анализ объяснил причину. Каждая крошечная железо‑никелевая пластина меньше критического размера, при котором она могла бы распадаться на несколько магнитных областей, поэтому она ведёт себя как единая магнитная доменна. Поскольку эти пластины тонкие и вытянутые, их форма сильно сопротивляется перевороту магнитного направления — эффект, известный как анизотропия формы. В то же время окружающий шрайберзит при комнатной температуре немагнитен и действует как изолирующая прослойка: он препятствует магнитному «взаимодействию» соседних пластин. В совокупности малый размер, пластинчатая форма и магнитная изоляция делают весь материал трудным для размагничивания.

Когда матрица подключается

Далее команда изучила, что происходит, когда окружающая матрица становится магнитной. Охладив проволоки ниже примерно 190 кельвинов (−83 °C), шрайберзит переходит в ферромагнитное состояние, позволяя железо‑никелевым пластинам взаимодействовать через него. При этих условиях коэрцитивность резко падает: некогда изолированные домены теперь меняют намагниченность коллективно, делая образец намного легче намагничиваемым и размагничиваемым. Отдельная серия микропроволок, изготовленных из чистого железа в ферромагнитной железо‑фосфидной матрице, показала аналогично низкую коэрцитивность при комнатной температуре. Эти сравнения ясно демонстрируют, что магнитный характер матрицы — молчит ли она магнитно или активно соединяет зерна — играет ключевую роль в определении истинной «жёсткости» магнита.

Что это значит для будущих магнитов

Авторы приходят к выводу, что большие коэрцитивные поля в этих микропроволоках Fe–Ni–P не требуют присутствия экзотической фазы тетратаенита. Вместо этого они возникают главным образом из комбинации микроструктуры и формы: очень мелкие, пластинчатые кристаллы железо‑никеля, каждый из которых ведёт себя как единый домен, распределены и магнитно изолированы в немагнитной матрице шрайберзита. Когда матрица становится магнитной, коэрцитивность исчезает, что показывает — ключ к жёсткости кроется в том, как зерна организованы и разделены, а не в какой‑то особой встроенной свойстве редкой упорядоченной фазы. Для разработки будущих магнитов без редкоземельных элементов это открытие имеет большое значение: путём проектирования размеров, форм и расстояний между обычными металлическими фазами можно добиться устойчивых магнитных характеристик, используя распространённые элементы и масштабируемые технологии обработки.

Цитирование: Hernando, A., de la Presa, P., Jiménez-Rodríguez, J.A. et al. Origin of the high coercivity in FeNi inspired magnets. Sci Rep 16, 6014 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36990-5

Ключевые слова: магниты без редкоземельных элементов, сплавы железо‑никель, нанокристаллические микропроволоки, магнитная коэрцитивность, микроструктура