Nam châm sẽ tạo nên một thế hệ tỷ phú mới?

Ở một trong những cảnh mang tính biểu tượng nhất của bộ phim nổi tiếng "The Graduate", nhân vật sinh viên tốt nghiệp Benjamin Braddock nhận được một số lời khuyên đầu tư từ một người bạn của gia đình vào “nhựa dẻo”.

Nếu ngày nay cảnh phim đó được làm lại, Benjamin có thể sẽ nghe thấy lời khuyên về món đầu tư khác, đó là "nam châm".

Trong những năm gần đây, những cục nam châm khiêm tốn đã trở nên hết sức cần thiết đối với một số ngành công nghiệp hiện đại, từ xe điện đến tua-bin gió. Đó là một vật liệu phục vụ công nghệ cao, mà từ đó sự thịnh vượng sẽ được tạo ra.

Câu chuyện ít được biết đến về cách nam châm chinh phục thế giới không chỉ là về thứ kim loại kỳ lạ này hay những nghiên cứu tiên tiến. Càng ngày đó càng là câu chuyện về địa chính trị, và căng thẳng ngày càng tăng giữa Trung Quốc và Mỹ là một phần trung tâm của câu chuyện.

Lịch sử chinh phục thế giới của nam châm

Trước cuộc cách mạng công nghiệp, vật thể duy nhất sở hữu đặc tính từ tính vĩnh cửu là đá nam châm - những mảnh khoáng vật từ tính. "Những viên đá” được tạo thành từ 3 phần sắt - 4 phần oxy, cùng với một ít thành phần quan trọng khác bao gồm nhôm, titan và mangan. Và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là những tia sét.

Khi một khối từ tính bị một tia sét màu xanh đánh trúng, từ trường của tia sét sẽ sắp xếp lại các ion trong viên đá, tạo ra các đặc tính từ tính trên bề mặt của nó. Hiện tượng đáng chú ý này giúp giải thích tại sao nam châm tự nhiên là vật quý giá gây tò mò trước kỷ nguyên hiện đại.

Thời trung cổ, người ta đã nghĩ ra một cách khác: Chà một cây kim sắt lên đá nam châm và cây kim này cũng có được sức mạnh từ tính. Phát hiện này, vốn dẫn đến việc phát minh ra la bàn, được cho là cách sử dụng thực tế đầu tiên của nam châm (mặc dù điều đáng chú ý là một số bác sĩ thời trung cổ cũng tin rằng nam châm có thể chữa chứng hói đầu, và ngoài ra nó còn có tác dụng như một loại thuốc kích thích tình dục).

Vào thế kỷ 18 và 19, các nhà khoa học phát hiện ra rằng, một dòng điện chạy qua dây dẫn đã hút một số kim loại nhất định có đặc tính từ tính. Các “nam châm điện” thu được từ phản ứng như vậy đã đóng vai trò trong một loạt các ứng dụng công nghiệp. Nhưng chúng chỉ hoạt động khi có điện, điều này hạn chế tính hữu dụng của nam châm điện và thúc đẩy nhân loại tìm kiếm các loại nam châm “vĩnh cửu".

Những tiến bộ đầu tiên về các nam châm sắt đi kèm với sự phát triển của các hợp kim thép được tạo hình trong từ trường. Các hợp kim này có sức mạnh từ tính cao hơn nhiều so với các loại đá nam châm thông thường, được đo bằng một đơn vị gọi là oersted, đặt theo tên của nhà khoa học Đan Mạch Hans Christian Orsted. Nhưng nó vẫn chưa đủ để đóng vai trò đáng tin cậy trong bất kỳ loại động cơ điện nào.

Nhật Bản đã dẫn đầu thị trường nam châm vào năm 1918 và đến những năm 1930 thì họ phát triển một thế hệ nam châm vĩnh cửu mới bằng cách trộn sắt thông thường với nhôm, niken và coban. Loại này có tên là nam châm Alnico.

Nhưng nam châm siêu lớn này có sức hút rất lớn, với 400 đơn vị oersted so với 50 oersted ở một nam châm đơn giản. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng việc ủ các hợp kim này trong từ trường còn nhân lên gấp bội sức mạnh của chúng.

Thế giới hiện đang sở hữu nhiều nam châm vĩnh cửu có thể thay thế nam châm điện. Trong thời kỳ hậu Thế chiến thứ hai, những nam châm mới này nhanh chóng đóng vai trò ngày càng tăng trong mọi thứ, từ động cơ điện đến cảm biến, đồng hồ đo nhiên liệu, micrô và các thiết bị khác.

Phát minh của Karl J. Strnat 

Năm 1958, một nhà khoa học vật liệu người Áo ít được biết đến tên là Karl J. Strnat đã đến Mỹ để giúp Lực lượng Không quân phát triển các nam châm thậm chí còn mạnh hơn cho các tên lửa và máy bay phản lực tiên tiến. Strnat có chuyên môn về một nhóm nguyên tố được gọi là đất hiếm, gồm 15 nguyên tố chạy theo đường ngang bên dưới bảng tuần hoàn Mendeleev, bắt đầu bằng lantan và kết thúc bằng lutetium.

Mặc dù không đặc biệt hiếm, nhưng đất hiếm rất khó xử lý và tinh chế. Các phương pháp mới lấy cảm hứng từ Dự án Manhattan đã cho phép các nhà hóa học chiết xuất từng loại đất hiếm riêng lẻ với số lượng đáng kể. Strnat và các đồng nghiệp tin rằng các nguyên tố này là những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho một thế hệ nam châm mới. Nhưng thật đáng tiếc là các nguyên tố bắt đầu mất đi sức mạnh từ tính khi ở gần nhiệt độ phòng, làm hạn chế công dụng của chúng.

Nhưng nếu đất hiếm được kết hợp với một nguyên tố khác như coban thì sao?

Strnat và cộng sự sau đó tìm ra cách chế tạo nam châm từ đất hiếm hoạt động tốt. Khám phá của ông về “tính dị hướng tinh thể từ tính trong các hợp chất liên kim loại coban đất hiếm” là một trong những thành tựu vĩ đại nhất trong khoa học vật liệu hiện đại.

Lẽ ra phải có những bức tượng Strnat ở Thung lũng Silicon và các trung tâm công nghệ cao khác. Trong khoảng thời gian vài năm ngắn ngủi, phòng thí nghiệm của ông và những phòng khác được thúc đẩy bởi khám phá này đã phát triển một loạt nam châm đất hiếm mới. Một số trong đó, chẳng hạn như SmCo5 - với 1 phần samarium và 5 phần coban - đạt cường độ từ tính tới 25.000 oersted.

Trong một bài báo xuất bản năm 1970, Strnat dự đoán rằng nam châm đất hiếm của ông sẽ sớm được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm, từ đồng hồ đeo tay điện tử đến các ống vi sóng; động cơ điện và máy phát điện, và cả với “những cỗ máy rất lớn”. Dù vậy, ông vẫn đánh giá thấp tiềm năng của chúng.

Ứng dụng vượt trội của nam châm

Sự phát triển của nam châm đất hiếm “neodymi” (nguyên tố đất hiếm có ký hiệu hóa học Nd) thậm chí còn mạnh hơn vào đầu những năm 1980, mở ra cơ hội cho nhiều ứng dụng hơn. Nam châm đất hiếm trở nên phổ biến trong thiết bị điện tử, hệ thống vũ khí, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, ổ cứng và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là động cơ cung cấp năng lượng cho ô tô điện.

Nhưng có một vấn đề. Khai thác và tinh chế đất hiếm là một công việc bừa bộn, tạo ra nhiều chất thải và chất gây ô nhiễm. Việc thuê sản xuất ở Trung Quốc, quê hương của những mỏ đất hiếm phong phú nhất thế giới, lại dễ dàng hơn nhiều. Tuy nhiên, hiện tại căng thẳng chính trị với Trung Quốc đang gia tăng, gây nguy hiểm tới nguồn cung cấp đất hiếm, đầu vào chế tạo ra nam châm.

Một phần của giải pháp nằm ở việc tăng tốc sản xuất đất hiếm tại Mỹ. Nhưng nếu Washington muốn giảm bớt sự phụ thuộc vào đất hiếm trong khi sản xuất đủ nam châm để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, họ cũng sẽ cần một cuộc đổi mới vật liệu khác.

Và điều này đã được tiến hành, ít nhất là trên lý thuyết. Vật liệu tổng hợp sắt-niken - đặc biệt là tetrataenite - cho thấy nhiều hứa hẹn là nguyên liệu thô cho một loại nam châm mới của thế kỷ 21. Các nghiên cứu gần đây đã nhấn mạnh tiềm năng của nó. Điều duy nhất còn thiếu là yếu tố con người: một Karl J. Strnat thế hệ mới dám cống hiến hết mình cho thử thách.