[解读科学]改变未来的“自旋电子学”…磁铁将左右国运

Published 05 Jun.2023 16:11(KST)

第四次工业革命核心材料
数据管理、电动车等领域必不可少
各国加紧研发廉价且高性能永磁体

磁铁，从儿时玩具开始就十分熟悉。但在第四次工业革命时代，它也是必不可少的“国家核心未来材料”。从电动车驱动装置到数据存储和读取等，大多数尖端领域都离不开磁铁。全球科学家不断开展研究，希望制造出更强大、更高效、更廉价的磁铁。按目前技术水平来看，作为美中技术霸权核心矛盾要素的稀土是主要原料，从确保稳定供应链的角度出发，新技术研究也属必需。

什么是磁铁？

在自然状态下磁铁就已存在，并被用于罗盘等。英国医生William Gilbert（1544~1633）提出假说称，N极指向北方的原因是地球本身就是一块磁铁，这一假说后来得到认可。不过，地球磁场每隔几十万年南北极会互换一次，而且不同位置的磁场也不同。至今关于地球为何具有磁性等原因尚未被准确揭示。丹麦科学家Hans Christian Oersted（1777~1851）发现了通电会产生磁场这一事实，而因发现苯而闻名的英国化学家、物理学家Michael Faraday（1791~1867）则揭示了磁铁运动时会产生电。

磁场的根源来自以原子核为中心电子的自转和公转，与电流在本质上相同。如果说电子获得能量后从原本位置跃迁并流动形成电流，那么电子在自转和公转过程中产生的就是磁场。因此，基本上可以认为所有原子都具有磁性。按磁力强弱可分为强磁性体、顺磁性体和抗磁性体等。磁力越强，电子旋转的方向越整齐、越容易排列一致；磁力越弱，电子旋转方向越杂乱。不过，也存在像铜或塑料这样完全不具备磁性的物质，这取决于原子的性质。决定磁性强度的是温度和原子间距离。温度越高磁性越弱，电子运动越各行其是；越接近绝对零度（零下273度），电子运动越趋于一致并排列整齐，从而呈现磁性。原子间距离也会产生影响。原子之间既不能太近也不能太远，只有保持适当距离，电子之间才更容易实现有序排列。

为制造人工永磁体，科学家们已持续努力了100多年。20世纪40年代，以铁氧化物为主要原料的铁氧体（Ferrite），50年代以铝、镍、钴为原料的铝镍钴（Alnico），70年代的钐钴（Sm-Co）磁铁等相继问世。但由于采用了钴等昂贵稀有金属作为原料，通过大规模生产和供应实现商业化受到限制。直到1981年，日本的Masato Sagawa开发出既强力又低价的钕铁硼（Nd-Fe-B）磁铁后，各类工业产品中才得以广泛应用磁铁。他在铁中加入稀土元素钕和硼。铁原本被认为原子间距过近，无法制造出强磁铁。Sagawa通过在铁原子之间插入轻便廉价的小硼原子，并利用钕诱导电子有序排列，找到了“黄金比例”，成功制造出史上最强磁铁。不过，这种磁铁在高温（摄氏200度）环境下性能下降是其缺点。若掺入另一种稀土元素镝（Dy），则可改善这一问题。

改变未来的自旋电子学

自旋电子学是一门研究具有自旋的电子在运动时会发生什么的学科。也就是研究在磁铁中通电时产生的各种变化，并将其应用于计算机硬盘或半导体等尖端技术。20世纪80年代，研究超微细物质的纳米（Nano）技术出现后，这一领域才正式得到深入研究。能够操控原子的科学家们开始尝试一层层堆叠原子，以制造人工磁铁。起初，他们利用原子间距离拉大可以制造强磁铁的原理，在磁铁与磁铁之间堆叠一层原子。到这一步为止，随着磁性增强，看似取得成功。然而，当铺上两层原子时，却突然出现了上下磁铁互换位置的层间交换耦合，并不断重复。这就是Peter Grünberg和Albert Fert于1988年发现的“巨磁电阻效应”（Giant Magneto Resistive effect）。利用这一效应的磁头成为现代计算机硬盘技术的核心。硬盘盘片以N极代表1、S极代表0来存储数字信息。磁头末端上下安装着两个小磁铁，上面的磁铁固定为N极，下面的磁铁则与下方盘片的N极和S极交替接触，反复出现平行和反平行状态。每当状态变化时，电阻随之产生或减小，通过这一变化便可读取数字数据。

Kim Gapjin KAIST物理学系教授表示：“第四次工业革命的核心是数据，而实现数据存储和读取的手段正是磁铁”，“开发并利用高性能磁铁，已成为半导体、电动车等尖端未来产业的核心课题。”

国家核心未来材料

目前商用钕磁铁所用的稀土钕主要通过复杂工艺从独居石（monazite）和氟碳铈矿（bastnasite）中提取。由于污染严重且劳动密集，与其他稀土一样，中国生产了全球大部分供应量。随着美中技术霸权竞争加剧和全球供应链不稳定性上升，替代和补充中国钕的必要性也在不断增强。韩国也通过2021年国家研发项目，开发出了可将永磁体中30%的钕替换为廉价铈（Ce）的稀土减量型永磁体材料技术，即将实现商业化。

与此相关，韩国材料研究院研究团队于去年3月公开了具体内容。他们成功开发出一种稀土减量型永磁体材料技术，在将昂贵稀土钕（Nd）的用量减少约30%的同时，仍可实现与商用磁铁（42M等级）相当的性能。研究团队未采用传统工艺，而是分别在稀土减量型前驱体和永磁体制造中应用了可实现极快冷却速度的熔体纺丝法（Melt-spinning）和热变形法（Hot-deformation）。其结果是抑制了磁铁内部不必要磁性颗粒的形成，成功实现磁铁微观结构的最优化。由此可同时提升永磁体的主要特性——剩磁和矫顽力。截至2021年，高效电机用稀土永磁体领域韩国国内市场规模每年约为1860亿韩元，但几乎全部依赖进口。这项技术可应用于电动车、无人机、飞行汽车、电动船舶等领域。

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Kim Taehun 材料研究院首席研究员表示：“在决定电机性能的材料中，影响最大的是永磁体，磁铁越强，性能越好”，“韩国直到2000年代后期才意识到中国垄断稀土供应的问题，开始研究稀土永磁体国产化技术，起步相对较晚。”他接着指出：“即便在实验室层面开发出技术，也经常在量产阶段无法正常运转”，“若要高效开发技术并整体提升产业水平，需要通过政策支持，使研究机构也能持续研究到量产工艺阶段。”

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。