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May 20, 2023

窒化鉄: レアアース元素を含まない強力な磁石

比較的最近商業シーンに登場して以来、希土類磁石は世間の想像力に大きな話題を呼びました。 この小さな光沢のあるものに詰め込まれた磁気エネルギーの量

比較的最近商業シーンに登場して以来、希土類磁石は世間の想像力に大きな話題を呼びました。 これらの小さくて輝く物体に詰め込まれた磁気エネルギーの量は、携帯電話の振動モーターやイヤホンや補聴器の小さなスピーカーのように、それらが登場する前には不可能だった技術的飛躍をもたらしました。 そして、電気自動車のモーターや風力タービンの発電機はもちろんのこと、数え切れないほどの医療、軍事、科学用途にも使用されています。

ただし、これらの進歩には代償が伴う。なぜなら、それらを作るために必要なレアアース元素の入手が難しくなっているからだ。 ネオジムのような希土類元素が地質学的にそれほど珍しいわけではありません。 むしろ、鉱床は不均一に分布しているため、金属が終わりのない地政学的なチェスの駒になりやすいのです。 さらに、環境への配慮がますます高まっている時代において、鉱石からそれらを抽出することは困難な作業です。

幸いなことに、磁石を作る方法は複数あり、希土類金属を使用せずにネオジム磁石と同じくらい強力な永久磁石を作ることが間もなく可能になるかもしれません。 実際、それらを作るために必要なのは、鉄と窒素、そして結晶構造の理解と工学的な工夫だけです。

まず、永久磁石とは何でしょうか? 自然に関する多くの単純な質問と同様、かなりの量の手を振る必要がない簡単な答えはありません。 物理学者でさえ、最終的には「分からない」という答えに行き着くのです。 しかし、それは磁気が完全な謎であるという意味ではなく、磁気について私たちが知っていることは非常に単純で、実際に希土類磁石とその代替磁石の両方がどのように機能するかを理解するのに役立ちます。

これまでに磁気の基礎について少し触れてきましたが、要約すると、電子のような荷電粒子には固有磁気モーメントと呼ばれるものがあり、小さな磁石のように機能します。 満たされた電子殻を持つ原子では、電子の各対が反対方向を指すモーメントを持つため、これらの磁気モーメントは互いに打ち消し合います。 しかし、外殻に不対電子を持つ原子では、磁気モーメントを打ち消すものは何もありません。つまり、これらの元素は磁性を持っています。 これらの元素は、周期表の 2 つの特定の領域に由来する傾向があります。コバルト、ニッケル、鉄などの d ブロック金属と、サマリウム、ネオジム、プラセオジムなどの希土類金属を含む f ブロック アクチニド ランタニドです。

ただし、磁石には、その成分が周期表上のどこから来たかだけではありません。 磁気とは、すべての固有の磁気モーメントを並べて同じ方向に作用させることです。 磁性元素の原子内の電子が互いに争ってはいけないのと同じように、原子も磁気モーメントがすべて同じ方向を向くように配置する必要があります。 これを磁気異方性が高いといい、強い磁石の特徴の一つです。 ネオジムなどの希土類金属は非常に高い磁気異方性を持っており、これが希土類磁石の強度に貢献します。

しかし、希土類金属自体は、少なくとも実用レベルでは、実際にはかなり貧弱な磁石を作ります。 これは、物質が磁気特性を失う温度であるキュリー点が比較的低いためです。 室温では、純粋なネオジム棒はまったく磁石になりません。 実際、磁気特性を得るには 20 K 以下に冷却する必要があります。 これを回避するには、希土類金属を他の強磁性元素と混合して、強い保磁力を持ちながら適切なキュリー点も持つ合金を形成します。 最も一般的な希土類磁石合金は、鉄、ネオジム、ホウ素を組み合わせたもので、元素の正確な混合に応じて 300 ～ 400°C の範囲のキュリー温度を持ちます。

磁性のウサギの穴をさらに深く進むには、結晶学の概念に慣れる必要があります。 これは恐ろしく複雑な主題であり、命名法や専門用語が標準的な化学式表記と同じであるように見えて混乱を招くものですが、明らかに違います。 鉄にネオジムを加えると強力な永久磁石がどのようにして作られるのか、そしてレアアースを使用せずに強力な磁石を作ることがどのように可能なのかを完全に理解するには、ここで説明するスペース以上に結晶学をさらに深く掘り下げる必要があります。 幸いなことに、基本的なことと少し手を振るだけで十分です。 そして、ここで私がこれらの難しいトピックについて理解できるように協力してくれた友人のザカリー・トンの功績を称えたいと思います。