ДАТЧИКИ ДЛЯ МАРСА

Соединение тербия и железа — уже давно известный магнитострикционный (то есть меняющий свой размер и форму во внешнем магнитном поле) материал. Такие материалы находят широкое применение в генераторах и приемниках ультразвука. Например, с помощью ультразвуковой обработки можно очищать нефтяные скважины, тем самым повышая качество и количество добываемой нефти. Они применяются также в сенсорах магнитного поля и электрического тока, устройствах активной виброзащиты, магнито-электрических преобразователях энергии, датчиках деформаций, актуаторах и т. д. Магнитострикционные актуаторы — это короткоходные линейные приводы, в которых перемещение осуществляется за счет изменения формы материала, что обеспечивает высочайшую жесткость конструкции. Магнитострикционные материалы не деградируют со временем и не боятся перегрева, при остывании восстанавливают свои свойства. Актуаторы на их основе обладают высоким быстродействием, однако требуют высокой напряженности магнитного поля, поэтому потребляют много электроэнергии.

Феррит тербия имеет два недостатка, которые ограничивают его активное применение. Первый — это небольшой диапазон температур, при котором соединение проявляет свои свойства. Ученые решили проблему: расширить интервал и сделать материал пригодным для применения в условиях экстремально низких температур позволит добавление в сплав марганца.

— В нашем соединении значение магнитострикции при температуре жидкого азота (примерно -193° С) на четверть выше, чем у исходного. Это может быть полезно в устройствах, применяемых в условиях Крайнего Севера и даже, например, на Марсе, где такая температура является атмосферной. Устройства для настройки оптики, телескопов и датчиков с помощью нашего соединения позволят сохранить точность отладки приборов в условиях перепада температур, который характерен для Марса. При этом и при комнатной температуре наше соединение сохраняет магнитострикцию, не уступающую исходному ферриту тербия, — поясняет соавтор исследования, младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Александр Барташевич.

Второе ограничение связано с тем, что добиться высоких значений магнитострикции в феррите тербия возможно только в очень сильном магнитном поле. Однако легирование марганцем уменьшает требуемую напряженность магнитного поля.

— Если исходному соединению тербия и железа для проявления магнитострикции требовалось магнитное поле более чем 20 килоэрстед, то наше соединение способно показывать хорошие результаты уже при 18. Это позволяет уменьшить электропотребление устройств, в основе которых будет наше соединение. Замещение тербия на марганец также позволяет снизить цену производства самого соединения, поскольку редкоземельные металлы стоят дороже, чем марганец, — добавляет старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел, доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Никита Кулеш.

Замена редкоземельного тербия на марганец — серьезное достижение уральских ученых. Ранее тербий в соединении замещали на диспрозий, также относящийся к редкоземельным металлам, который улучшал свойства соединения, но не удешевлял его производство.

Эта работа была выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (темы «Магнит» и «Сплавы»), а также при частичной поддержке РФФИ и правительства Свердловской области. Создание новых материалов ведется при поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет – 2030». Одним из приоритетных направлений исследований является создание материалов и технологий для магнитной сенсорики, хиральной спинтроники, магнитомикроэлектроники и медицины, сверхчувствительных высокоселективных материалов-преобразователей энергии и радиационных полей для детекторной техники и фотоники, органических и гибридных материалов для диагностики и терапии социально значимых заболеваний.