普通材料創造高效磁鐵，有望終結稀土依賴

更新於 07月21日04:05 • 發布於 07月21日04:00 • 高詩豪

美國德州大學阿靈頓分校領導的國際研究團隊，近日於《Nature Communications》發表突破性發現：普通鐵氧體（Fe₃O₄）奈米粒子在極高壓力下，會自組裝成微小鏈狀結構，並產生傳統僅見於稀土金屬的高磁各向異性（magnetic anisotropy）。這一特性將有機會用於製造新一代強磁鐵，並大幅減少對昂貴、難以開採的稀土金屬依賴。

研究團隊運用鑽石壓砧裝置（diamond anvil cell），對鐵氧體奈米粒子施加高達18.8 GPa（約18萬大氣壓）的壓力，發現粒子排列成鏈後，磁性顯著提升。電子顯微鏡與小角X光散射（SAXS）圖像證實這一現象。團隊領導人劉建平教授（暫譯，英文J. Ping Liu）指出，傳統凝態物理認為高磁各向異性只可能由重元素如稀土金屬產生，這次結果顛覆過往認知。

稀土礦產開採精煉成本高+污染嚴重

圖組詳細展示了鐵氧體（Fe₃O₄）奈米粒子在高壓下自組裝過程中的形貌變化與結構特徵： (a) 展示經熱分解法合成的 Fe₃O₄ 奈米晶體的代表性 TEM 影像，可見顆粒均勻分佈、尺寸約 20 nm。 (b) 經高壓壓縮後，這些奈米晶體排列成具規律性的陣列（array），尺寸達百納米，說明粒子已自組裝。 (c) 為 Fe₃O₄ 奈米線的高解析 TEM（HR-TEM）影像，可見明顯的線狀結構與晶體規則排列。 (d) HR-STEM 影像則進一步顯示 Fe₃O₄ 奈米粒子在鏈狀結構中的緊密排列，分辨率達 5 nm。 (e) SAXS（小角 X 光散射）圖譜顯示，在不同壓力（從 0 GPa 到 18.8 GPa，及釋壓後的狀態）下奈米晶體陣列的結構變化。高壓促使粒子排列更緊密，釋壓後部分恢復，但仍與原始狀態有差異。圖／《Nature Communications》

稀土金屬（如釹、釤等）目前廣泛應用於高效能永磁體，是風力發電機、電動車馬達、醫療成像及消費電子的核心材料。但稀土礦產分布分散，開採與精煉成本高且污染嚴重，成為全球產業鏈的瓶頸。鐵氧體則來源豐富、成本低且環境友善。

本研究成果，為以普遍存在的鐵氧體開發新型高性能磁性材料帶來契機，有望用於硬碟、馬達、風電機組甚至醫學影像等領域，兼顧性能、經濟與永續。未來若能進一步掌控奈米結構與組裝過程，有機會研製取代稀土的新型強磁體，並推動消費電子、再生能源及生醫工程的發展。

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首圖來源：Nature Communications(CC BY 4.0)

參考論文：
1、Superstructure magnetic anisotropy in Fe3O4 nanoparticle chains

Nature Communications

延伸閱讀：
1、AI發現新型「無稀土磁鐵」，產速是人工的200倍

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