És pur níquel magnètic
Com a 28è element metàl·lic de transició a la taula periòdica, les propietats magnètiques de Nickel segueixen sent un misteri, persistent en la recerca del descobriment científic. Des del seu descobriment oficial al segle XVIII, el comportament magnètic únic de Nickel ha desconcertat a generacions de físics. No presenta ni el fort ferromagnetisme del ferro ni el paramagnetisme complet de l’alumini. Aquesta propietat magnètica "ambigua", en algun lloc entremig, ha portat els científics gairebé dos segles a desxifrar el seu mecanisme subjacent.
La naturalesa magnètica del níquel pur
El níquel pur presenta un feble ferromagnetisme a temperatura ambient, amb una força de magnetització de fins a 55 emu/g i una coercitat d’aproximadament 100 OE. Aquesta propietat permet atret per imants permanents sense conservar el magnetisme remanent del ferro. Aquesta propietat "Magnètica suau" prové de la seva estructura electrònica única: els àtoms de níquel contenen vuit electrons en els seus orbitals 3D, cinc amb spin - i tres amb spin -, donant lloc a un moment magnètic net que no està completament cancel·lat. Quan un gran nombre d’àtoms de níquel s’agreguen, aquests moments magnètics formen regions magnetitzades espontàniament (dominis) mitjançant interaccions d’intercanvi. Tanmateix, en absència d’un camp magnètic extern, els dominis s’alineen aleatòriament i no presenten cap magnetisme macroscòpic.
Quan s’aplica un camp magnètic extern, la magnetització del níquel pur presenta tres etapes:
Magnetització reversible (0-500 OE): les parets del domini es mouen lentament i la intensitat de magnetització és linealment proporcional al camp magnètic extern.
Salt de Barkhausen (500-1000 OE): les parets del domini es mouen sobtadament, donant lloc a un canvi de pas en la intensitat de magnetització.
Near-saturation (>1000 OE): Tots els dominis estan essencialment alineats i l’augment de la intensitat de magnetització s’alenteix.
Aquesta característica proporciona pèrdues d’histèresi extremadament baixes de níquel en un camp magnètic altern, amb un coeficient de pèrdua de corrent eddy només un - tercer el de l’acer de silici, convertint -lo en un material ideal per a dispositius electromagnètics de freqüència alts -.
Tres factors clau que afecten les propietats magnètiques
L’efecte de la temperatura sobre les propietats magnètiques
La temperatura curie del níquel pur és de 631 K (358 graus). Per sota d’aquesta temperatura, presenta ferromagnetisme, mentre que per sobre d’aquesta temperatura, es transforma en paramagnetisme. Les dades experimentals mostren que la susceptibilitat magnètica és de 3,2 × 10 - 3 a 20 graus, però baixa bruscament fins a 1,8 × 10-4 quan s’escalfa a 300 graus. Aquesta sensibilitat a la temperatura s’utilitza en sensors tèrmics: els termistors basats en níquel poden aconseguir una precisió de mesura de 0,1 graus en el rang de -50 graus fins als 200 graus.
Efecte de conformació de l'estructura del cristall
La cara - Estructura cúbica centrada (FCC) del níquel pur a temperatura ambient li dóna la permeabilitat magnètica anisotròpica. Quan es magnetitza al llarg de la direcció [100] de cristall, la permeabilitat magnètica arriba a 1,2 × 10 - 6 h/m, mentre que la direcció [111] és només de 0,8 × 10-6 h/m. El níquel d’un sol cristal preparat per la tecnologia de solidificació direccional pot aconseguir una relació d’anisotropia magnètica de fins a 1,5: 1, millorant significativament l’eficiència de conversió d’energia dels dispositius magnètics.
Camins de millora de l'aliatge
Si afegiu un 30% de ferro per formar un permallo (Ni - Fe) pot augmentar la seva permeabilitat magnètica inicial a l'ordre de 10^5, 1.000 vegades la del níquel pur. Si afegiu un 5% de cobalt a un níquel - aliatge de cobalt redueix la seva coercitat de 100 a 2 OE, cosa que el converteix en una elecció superior per a materials de gravació magnètica. Aquesta estratègia d’aliatge permet als materials magnètics basats en níquel - cobrir tot l’espectre, des d’imants suaus fins a imants permanents.
Quatre aplicacions de tall - de la unitat magnètica
Blindatge magnètic per a la informàtica quàntica
En els qubits superconductors, les trampes de flux formades per pel·lícules primes de níquel pur poden reduir el soroll de camp magnètic en 40 dB, permetent que els temps de retenció de l'estat quàntic superin els 100 μs. Utilitzant un escut magnètic basat en un níquel - a l'ordinador quàntic d'IBM, la fidelitat de les operacions de portes quàntiques va augmentar del 99,2% al 99,97%. Una revolució bàsica magnètica en la nova energia
L’estator del motor de Tesla Model 3 utilitza un níquel - aliatge magnètic de ferro. A una freqüència de funcionament de 20 kHz, la pèrdua de ferro es redueix de 2,5W/kg per a les làmines d'acer tradicionals de silici a 0,8W/kg, donant lloc a una eficiència motora del 98,5% i un augment del 15% en el rang.
Navegació magnètica en biomedicina
Les nanopartícules de níquel amb un diàmetre de 50nm generen un efecte tèrmic localitzat en un camp magnètic altern, permetent ablació tèrmica precisa de cèl·lules tumorals. Els assaigs clínics han demostrat que aquesta teràpia amb hipertèrmia de fluids magnètics té una taxa de cura del 72% per al càncer de fetge i provoca menys danys al teixit normal que la radioteràpia tradicional.
Des del descobriment del magnetisme de níquel al segle XVIII fins a la construcció de níquel - imants quàntics basats en el segle XXI, la comprensió de la humanitat del magnetisme de níquel pur ha continuat aprofundint. Actualment, els científics estan explorant la possibilitat d’assolir zero - emmagatzematge magnètic energètic manipulant l’estructura magnètica topològica del níquel. A la indústria, la tecnologia d’impressió 3D ha fet realitat la producció personalitzada de dispositius magnètics basats en níquel {7-.
