Ponad 300 tys. struktur przeanalizowanych przy użyciu uczenia maszynowego i obliczeń kwantowych doprowadziło badaczy do grupy materiałów, które mogą stać się podstawą magnesów bez metali ziem rzadkich. Wśród wytypowanych związków znalazł się Fe₁₇Co₄S₄, dla którego obliczona polaryzacja nasycenia sięga 1,88 T. To na razie nie jest nowy magnes dla silnika ani generatora. Jest to jednak interesujący przykład tego, jak algorytmy mogą przeszukiwać ogromną przestrzeń materiałów w poszukiwaniu kandydatów, których wcześniej trudno byłoby wskazać metodami eksperymentalnymi.

Magnesy trwałe są jednym z ukrytych elementów infrastruktury współczesnej gospodarki. Znajdują się w silnikach samochodów elektrycznych, generatorach turbin wiatrowych, robotach przemysłowych, urządzeniach automatyki, elektronice oraz wielu systemach wykorzystywanych w przemyśle.

W najbardziej wymagających zastosowaniach szczególne znaczenie mają materiały pozwalające uzyskać wysokie parametry magnetyczne przy niewielkiej masie i objętości.

Jedną z najważniejszych grup są magnesy wykorzystujące pierwiastki ziem rzadkich. Neodym, dysproz, terb czy prazeodym pozwalają budować materiały o bardzo dobrych właściwościach magnetycznych, ale ich znaczenie wykracza poza samą fizykę materiałów.

Dostęp do surowców, koncentracja wydobycia i przetwarzania oraz zależność przemysłu od określonych łańcuchów dostaw powodują, że poszukiwanie alternatyw stało się również problemem przemysłowym i strategicznym.

Algorytm przeszukał setki tysięcy możliwości

W najnowszym badaniu naukowcy skierowali uwagę na układ żelazo, kobalt i siarka, czyli Fe, Co i S. Zamiast rozpoczynać od syntezy kolejnych materiałów i sprawdzać ich właściwości po fakcie, zastosowali podejście obliczeniowe. Algorytm uczenia maszynowego został wykorzystany do przeszukania ogromnej liczby możliwych struktur, a następnie wybrane materiały poddano bardziej szczegółowym obliczeniom kwantowym.

Punktem wyjścia było ponad 300 tys. struktur Fe Co S. Z tej przestrzeni wybrano około 1400 kandydatów wymagających dokładniejszej analizy. Taka redukcja jest jednym z najważniejszych elementów całego podejścia. W przypadku materiałów magnetycznych liczba możliwych kombinacji składu chemicznego i struktury krystalicznej jest na tyle duża, że sprawdzenie ich wszystkich metodą laboratoryjną byłoby praktycznie niewykonalne.

Uczenie maszynowe nie tworzy tutaj gotowego materiału. Jego zadaniem jest wskazanie obszarów przestrzeni materiałowej, w których warto wykonać kosztowniejsze obliczenia. Następnie fizyczne modele pozwalają ocenić między innymi stabilność przewidywanych struktur i ich potencjalne właściwości magnetyczne.

Fe₁₇Co₄S₄ trafił wysoko na liście

Wśród wytypowanych struktur znalazły się dwa związki, które według obliczeń mają być dynamicznie stabilne i jednocześnie osiągać polaryzację nasycenia na poziomie co najmniej 1 T. Szczególnie interesujący jest Fe₁₇Co₄S₄, dla którego obliczona wartość sięga 1,88 T.

To liczba, która uzasadnia dalsze badania, ale sama w sobie nie oznacza jeszcze, że otrzymano magnes o takich parametrach. Polaryzacja nasycenia opisuje właściwość materiału wynikającą z jego stanu magnetycznego. W rzeczywistym magnesie trwałym liczy się znacznie więcej parametrów, między innymi możliwość uzyskania odpowiedniej remanencji, koercji i stabilności magnetycznej oraz zachowanie właściwości w określonym zakresie temperatur.

Dopiero zestaw tych parametrów pozwala określić, czy materiał nadaje się do konkretnego zastosowania. Inaczej wyglądają wymagania wobec magnesu stosowanego w niewielkim czujniku, inaczej w silniku trakcyjnym samochodu elektrycznego, a jeszcze inaczej w generatorze pracującym przez lata w zmiennych warunkach.

Bez neodymu nie znaczy automatycznie taniej

Największą potencjalną zaletą nowej klasy materiałów jest skład. Żelazo i kobalt nie należą do tej samej kategorii surowcowej co neodym, dysproz czy terb, a siarka jest pierwiastkiem powszechnie dostępnym. Gdyby udało się uzyskać z takiego układu materiał o odpowiednich parametrach, mogłoby to zmniejszyć zależność od określonych surowców krytycznych.

Nie należy jednak automatycznie przekładać tego na niższą cenę gotowego magnesu. O kosztach decyduje nie tylko dostępność pierwiastków, lecz także sposób syntezy, temperatura i czas procesu, kontrola składu, możliwość uzyskania odpowiedniej mikrostruktury, obróbka materiału oraz wydajność produkcji. Materiał zbudowany z łatwiej dostępnych pierwiastków może okazać się drogi, jeśli jego wytwarzanie wymaga skomplikowanego procesu.

Dochodzi do tego jeszcze jedna kwestia. Kobalt sam w sobie nie jest surowcem całkowicie pozbawionym problemów związanych z łańcuchem dostaw. Dlatego rzeczywista wartość rozwiązania nie będzie polegała po prostu na zastąpieniu jednego krytycznego pierwiastka dowolnym innym. Istotne będzie porównanie całego łańcucha dostaw, od surowca przez produkcję materiału aż po gotowy magnes.

Najtrudniejszy etap dopiero się zaczyna

Najważniejsze zastrzeżenie dotyczące tego badania jest proste: na tym etapie mamy kandydatów obliczeniowych, a nie gotowy produkt.

Naukowcy wskazali związki, które powinny być szczególnie interesujące z punktu widzenia syntezy i dalszych badań. Następnym krokiem jest sprawdzenie, czy przewidywane struktury rzeczywiście można otrzymać w laboratorium oraz czy będą one miały właściwości zgodne z obliczeniami.

To właśnie na tym etapie wiele obiecujących materiałów kończy swoją karierę. Struktura przewidziana komputerowo może okazać się trudna do uzyskania, może powstawać jedynie w bardzo wąskim zakresie parametrów procesu albo może współistnieć z innymi fazami chemicznymi. Nawet jeśli uda się otrzymać właściwy związek, jego właściwości w próbce laboratoryjnej nie muszą odpowiadać wymaganiom stawianym materiałowi przeznaczonemu do produkcji magnesów.

W przypadku magnesów trwałych problem jest jeszcze bardziej wymagający, ponieważ nie wystarczy wykazać, że materiał jest ferromagnetyczny i ma wysoką polaryzację nasycenia. Potrzebna jest odpowiednia kombinacja właściwości magnetycznych, mechanicznych i termicznych oraz możliwość nadania materiałowi pożądanej mikrostruktury.

Dlaczego uczenie maszynowe może tutaj zmienić sposób poszukiwania materiałów?

Najciekawszym elementem badania może być więc nie sam Fe₁₇Co₄S₄, lecz metoda jego znalezienia. Przestrzeń możliwych materiałów jest praktycznie nieograniczona, jeżeli jednocześnie zmienia się skład chemiczny, proporcje pierwiastków i strukturę krystaliczną. Tradycyjny sposób poszukiwania polegał w dużej mierze na stopniowym testowaniu kolejnych hipotez dotyczących tego, jakie materiały powinny mieć pożądane właściwości.

Model uczenia maszynowego może odwrócić tę logikę. Zamiast pytać, który z kilku wcześniej wybranych materiałów warto zbadać, można najpierw przeszukać ogromną przestrzeń potencjalnych struktur i dopiero potem wybrać niewielką grupę kandydatów do kosztownych obliczeń lub eksperymentów. W tym przypadku z setek tysięcy struktur pozostało około 1400 materiałów wymagających bardziej szczegółowej analizy.

To podejście może być szczególnie przydatne w materiałach funkcjonalnych, gdzie właściwości zależą nie tylko od obecności określonych pierwiastków, ale również od ich ułożenia w strukturze krystalicznej. Dla projektowania magnesów oznacza to możliwość szukania materiałów poza znanymi rodzinami związków, zamiast ograniczania się do kolejnych modyfikacji istniejących magnesów ziem rzadkich.

Silnik elektryczny to jeszcze odległy cel

Gdyby któryś z wytypowanych materiałów przeszedł pomyślnie etap syntezy, charakteryzacji i produkcji, potencjalne zastosowania byłyby szerokie. Magnesy o wysokich parametrach są potrzebne między innymi w silnikach elektrycznych, generatorach, robotyce, automatyce przemysłowej i elektronice. Szczególne znaczenie mogłaby mieć możliwość zastosowania ich w urządzeniach, których projektanci są obecnie zależni od określonych gatunków magnesów zawierających metale ziem rzadkich.

Jednak droga od obliczenia 1,88 T do przemysłowego silnika jest bardzo długa. Trzeba jeszcze wykazać, że Fe₁₇Co₄S₄ można otrzymać w odpowiedniej postaci, że jego właściwości magnetyczne odpowiadają wymaganiom dla magnesu trwałego, że zachowuje je w temperaturze pracy i w czasie eksploatacji oraz że można produkować go w dużych ilościach z akceptowalnym kosztem.

Fot. Pixabay