Cientistas de materiais previram e construíram dois novos materiais magnéticos, átomo por átomo, usando modelos computacionais de alto rendimento. O sucesso marca uma nova era para o design em grande escala de novos materiais magnéticos a uma velocidade sem precedentes.

Embora os ímãs sejam abundantes na vida cotidiana, eles são, na verdade, raridades - apenas cerca de 5% dos compostos inorgânicos conhecidos mostram até mesmo uma sugestão de magnetismo. E desses, apenas algumas dezenas são úteis em aplicações do mundo real por causa da variabilidade nas propriedades, como faixa de temperatura efetiva e permanência magnética.

A relativa escassez desses materiais pode torná-los caros ou difíceis de obter, levando muitos a buscarem novas opções, dada a importância dos ímãs em aplicações que variam de motores a máquinas de imagem por ressonância magnética (MRI). O processo tradicional envolve pouco mais do que tentativa e erro, à medida que os pesquisadores produzem diferentes estruturas moleculares na esperança de encontrar uma com propriedades magnéticas. Muitos ímãs de alto desempenho, Contudo, são estranhezas singulares entre as tendências físicas e químicas que desafiam a intuição.

Em um novo estudo, os cientistas de materiais da Duke University fornecem um atalho nesse processo. Eles mostram a capacidade de prever o magnetismo em novos materiais por meio de modelos de computador que podem rastrear centenas de milhares de candidatos em um curto espaço de tempo. E, para provar que funciona, eles criaram dois materiais magnéticos que nunca foram vistos antes.

Os resultados aparecem em 14 de abril, 2017, no Avanços da Ciência .

"Prever ímãs é um trabalho árduo e sua descoberta é muito rara, "disse Stefano Curtarolo, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais e diretor do Center for Materials Genomics da Duke. "Mesmo com nosso processo de triagem, levou anos de trabalho para sintetizar nossas previsões. Esperamos que outros usem essa abordagem para criar ímãs para uso em uma ampla gama de aplicações. "

O grupo se concentrou em uma família de materiais chamados ligas de Heusler - materiais feitos com átomos de três elementos diferentes dispostos em uma das três estruturas distintas. Considerando todas as combinações e arranjos possíveis disponíveis usando 55 elementos, os pesquisadores tiveram 236, 115 protótipos potenciais para escolher.

Para restringir a lista, os pesquisadores construíram cada protótipo átomo por átomo em um modelo computacional. Calculando como os átomos provavelmente interagiriam e a energia que cada estrutura exigiria, a lista diminuiu para 35, 602 compostos potencialmente estáveis.

De lá, os pesquisadores realizaram um teste de estabilidade mais rigoroso. De um modo geral, materiais se estabilizam no arranjo exigindo a menor quantidade de energia para manter. Ao verificar cada composto em relação a outros arranjos atômicos e jogar fora aqueles que seriam derrotados por seus concorrentes, a lista encolheu para 248.

Desses 248, apenas 22 materiais mostraram um momento magnético calculado. O corte final descartou todos os materiais com estruturas alternativas concorrentes muito próximos para o conforto, deixando um final de 14 candidatos para trazer do modelo teórico para o mundo real.

Mas como acontece com a maioria das coisas em um laboratório, sintetizar novos materiais é mais fácil falar do que fazer.

"Pode levar anos para descobrir uma maneira de criar um novo material em um laboratório, "disse Corey Oses, estudante de doutorado no laboratório de Curtarolo e segundo autor do artigo. "Pode haver todos os tipos de restrições ou condições especiais necessárias para que um material se estabilize. Mas escolher entre 14 é muito melhor do que 200, 000. "

Para a síntese, Curtarolo e Oses se voltaram para Stefano Sanvito, professor de física no Trinity College em Dublin, Irlanda. Depois de anos tentando criar quatro desses materiais, Sanvito conseguiu dois.

Ambos eram, como previsto, magnético.

O primeiro material magnético recém-cunhado foi feito de cobalto, manganês e titânio (Co2MnTi). Ao comparar as propriedades medidas de ímãs estruturados de forma semelhante, os pesquisadores foram capazes de prever as propriedades do novo ímã com alto grau de precisão. Em particular, eles previram que a temperatura na qual o novo material perdeu seu magnetismo seria de 940 K (1232 graus Fahrenheit). Em teste, a "temperatura Curie" real acabou sendo 938 K (1228 graus Fahrenheit) - um número excepcionalmente alto. Esse, junto com sua falta de elementos de terras raras, o torna potencialmente útil em muitas aplicações comerciais.

"Muitos ímãs permanentes de alto desempenho contêm elementos de terras raras, "disse Oses." E os materiais de terras raras podem ser caros e difíceis de adquirir, particularmente aqueles que só podem ser encontrados na África e na China. A busca por ímãs livres de materiais de terras raras é crítica, especialmente porque o mundo parece estar se afastando da globalização. "

O segundo material era uma mistura de manganês, platina e paládio (Mn2PtPd), que acabou por ser um antiferroímã, o que significa que seus elétrons estão uniformemente divididos em seus alinhamentos. Isso faz com que o material não tenha momento magnético interno próprio, mas torna seus elétrons responsivos a campos magnéticos externos.

Embora essa propriedade não tenha muitas aplicações fora da detecção de campo magnético, discos rígidos e memória de acesso aleatório (RAM), esses tipos de ímãs são extremamente difíceis de prever. No entanto, os cálculos do grupo para suas várias propriedades permaneceram acertados.

"Realmente não importa se algum desses novos ímãs for útil no futuro, "disse Curtarolo." A capacidade de prever rapidamente sua existência é um grande golpe e será inestimável para os cientistas de materiais que estão avançando. "