Robert Klatt
Ein neues Molekül aus Seltenerdelementen und Jod mit einer bisher einzigartigen chemischen Bindung übertrifft alle bekannten Magnete.
Berkeley (U.S.A.). Magnete haben in der Wissenschaft und der Industrie unterschiedliche Anwendungsgebiete. Die China Railway Rolling Stock Corporation (CRRC) hat etwa einen Magnetschwebezug entwickelt, der eine Geschwindigkeit von 600 km/h erreichen kann und auf kurzen und mittleren Distanzen damit schneller ist als Flugzeuge. Die China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC) arbeitet zudem an einem elektromagnetischen Katapult, das wie eine Railgun funktionieren soll, um damit Raumschiffe in den Weltraum zu schießen.
Wissenschaftler der University of California, Berkeley (UC Berkeley) um Colin A. Gould haben nun einen neuen „Supermagnet“ entwickelt, der in Zukunft weitere Nutzungsmöglichkeiten eröffnen könnte. Laut der Publikation im Fachmagazin Science besteht der Magnet aus einer ungewöhnlichen Bindung aus seltenen Erden und hat ein dreimal stärkeres Magnetfeld als der bislang bekannteste stärkste magnetische Stoff. Die ungewöhnliche Bindung ist somit deutlich magnetischer als die schon sehr starken Neodym Magnete, die etwa in der chinesischen Magnetschwebebahn Red Rail zum Einsatz kommen.
Laut den Forschern handelt es sich bei dem Molekül mit starkem Magnetismus und eine komplett neue Stoffklasse, die aus zwei Atomen eines Seltenerdelements besteht, zwischen denen sich drei in einem Dreieck angeordnete Jodatome befinden. Die beiden Seltenerdelementatome, etwa Dysprosium oder Terbium, verfügen zudem über eine direkte Bindung, die durch den Mittelpunkt des Joddreiecks geht. Es handelt sich dabei um die erste direkte Bindung zwischen zwei Seltenerdelementatomen in einem Molekül.
Der außergewöhnliche starke Magnetismus des Moleküls geht darauf zurück, weil dieses viele ungepaarte Elektronen enthält, die nicht direkt entgegengesetzte Partnerelektronen neutralisiert werden. Zudem sind die ungepaarten Elektronen des Stoffes gleich ausgerichtet.
Wie die Wissenschaftler erklären, weisen Magnete aus Seltenerdmetallen eine hohe Anzahl an ungepaarten Elektronen auf. Diese Elektronen werden durch die Verbindung mit einem Metall wie Eisen in eine gemeinsame Ausrichtung gebracht. Während diese Konfiguration bereits eine starke magnetische Wirkung ermöglicht, legen theoretische Überlegungen nahe, dass die Verwendung eines weiteren Seltenerdelements als Bindungspartner anstelle von Eisen zu noch leistungsfähigeren Magneten führen könnte.
Bislang fehlte es jedoch an einem Material, in dem Seltenerdelemente direkt aneinandergebunden sind. Das neue Molekül besitzt eine solche Bindung, allerdings ist sie derart schwach, dass die Verbindung der beiden Metallatome durch drei Jodatome unterstützt werden muss, um stabil zu bleiben.
Die besondere Anordnung der ungepaarten Elektronen in den beiden Metallatomen führt dazu, dass das gesamte Molekül eine außergewöhnlich hohe Magnetisierung aufweist. Die Forschergruppe bestimmte die Stärke dieses molekularen Magnetismus durch die Messung der Koerzitivfeldstärke, die angibt, wie stark ein äußeres Magnetfeld sein muss, um den inneren Magnetismus eines Materials zu überwinden. Bei einer Temperatur von etwa 60 Kelvin und in einem Molekül mit zwei Terbium-Atomen lag die gemessene Koerzitivfeldstärke laut Angaben des Teams bei über 25 Tesla.
Dies übertrifft den bisherigen Rekord von 7,9 Tesla mehr als dreifach und liegt fast doppelt so hoch wie die maximal mögliche Feldstärke in den aktuell verfügbaren Messapparaturen, was die exakte Bestimmung des Wertes erschwert. Solche extrem starken molekularen Magnete sind nicht nur für Speichermedien auf magnetisierbaren Materialien von Interesse. Die Forscher sehen auch Potenzial darin, aus diesen Molekülen große Magnete für technische Anwendungen zu entwickeln. Diese könnten die Magnetfeldstärke der gegenwärtigen Supermagnete aus neodymhaltigen Legierungen deutlich übertreffen.
Science, doi: 10.1126/science.abl5470
