Skip to content


De kunst van het aantrekken

shutterstock_7870564_274x412Net nu de vraag naar lichte en sterke magneten toeneemt, zet China de rem op de export van cruciale grondstoffen. Zijn er ook magneten mogelijk zonder die zeldzame aarden? Delftse onderzoekers doen mee in de wereldwijde zoektocht naar nieuwe magneten.

Magneten hebben een pr-probleem. Het meest bekend als plakkers op de koelkastdeur, spreken ze nauwelijks tot de verbeelding. En toch: de moderne wereld kan niet zonder. Auto’s generatoren, computers, satellieten, smartphones en windturbines – niets werkt zonder magneten.
En daar zit ’m de kneep. Gedreven door een onstilbare honger naar duurzame energie, stijgt de vraag naar ’s werelds beste magneten. Maar niemand weet waar die vandaan moeten komen.
Vroeger was alles simpeler. In de negentiende eeuw ontdekte Michael Faraday dat magneten in staat waren om elektrische lading in beweging te brengen. Gemagnetiseerde lompen ijzer vormden sindsdien de kern van motoren, en generatoren die beweging omzetten in elektrische stroom en omgekeerd. En dat doen ze tot op heden.
De vraag wat nu eigenlijk magnetisme veroorzaakt, is minder eenvoudig. Aan de basis ervan ligt de eigenschap van elektronen die een klein magnetisch moment hebben – de quantummechanische spin – die twee tegengestelde oriënteringen kan hebben. Bij de meeste materialen heffen de elektronspins elkaar op, maar bij ijzer, kobalt en nikkel hebben de buitenste elektronen de neiging om de spin op te lijnen met de rest van de omgeving waardoor zulk materiaal goed te magnetiseren is.
Ferromagneten worden gebruikt in de industrie en in grootschalige elektriciteitsopwekking, maar voor de moderne elektronica zijn ze te grof. Daarvoor zijn andere magneten nodig. De  ontwikkeling van zulke nieuwe magnetische materialen heeft wel iets van metallurgische zwarte kunst: je brengt een veelbelovende combinatie van elementen bij elkaar, stopt het in een magnetisch veld en kijkt wat er gebeurt.
Zo zijn in de jaren 1930 ‘Alnico’ magneten ontdekt – samengesteld uit inderdaad aluminium, nikkel en kobalt – met een twee maal zo grote energiedichtheid als de ferromagneten. En vanaf 1970 werd de kracht van lanthaniden of zeldzame aarden ontdekt. Atomen van die zware elementen blijken in hun elektronenschil een ongewoon groot aantal elektronen te bevatten waarvan de spin in dezelfde richting gebracht kan worden. Magneten met kobalt en samarium (een zeldzame aarde) waren twee keer sterker dan Alnico magneten. Maar de klapper was toch wel de ‘Neo’ magneten die vanaf 1990 opdoken. Die bevatten het zeldzame aarde element neodynium in combinatie met ijzer en boor. Een stukje zo groot als je vingertop kon een veld opwekken dat duizend keer sterker was dan het aardmagnetisch veld.
Overal waar je keek, dook Neo op: in de stuurbekrachtiging van auto’s, in motortjes voor cd- en dvd-drives, in minuscule luidsprekers en krachtige koptelefoons. Maar ook in elektromotoren voor auto’s en elektrische fietsen en in generators voor windturbines.
Neo werd een ongekend succes, ondanks een irritante tekortkoming van de vroegste neomagneten die bij temperaturen hoger dan honderd graden Celsius hun kracht verloren. Dat euvel werd verholpen dankzij wat meer metallurgisch experimenteren. Door een paar procent van het neodynium te vervangen door het zwaardere neefje dysprosium ontstond een thermisch stabiele structuur en werden neomagneten warmtebestendig.
Als gevolg daarvan vervult dysprosium nu een sleutelrol bij de vervaardiging van sterke magneten. Het vervelende is dat alleen China het spul wint en het bovendien sinds kort met zware exportheffingen heeft belast.
Het Amerikaanse ministerie voor energie heeft daarom een nieuw onderzoeksprogramma ingesteld naar nieuwe magnetische materialen die minder of liefst helemaal geen gebruikmaken van moeilijk te verkrijgen zeldzame aarden. Het programma heet React voor ‘Rare Earth Alternatives in Critical Technologies’. Het ministerie zet breed in: maar liefst veertien verschillende groepen krijgen in totaal 22 miljoen dollar om alternatieve magneten te ontwikkelen.

Ook in Delft werken onderzoekers aan nieuwe magnetische materialen, zegt dr. Ekkes Brück, hoogleraar nieuwe energiematerialen bij Technische Natuurwetenschappen. Gericht onderzoek kun je het nauwelijks noemen, omdat beide groepen door een toeval op het spoor zijn gekomen.
Scheikundige ir. Krishna Kowlgi heeft zijn ontdekking op Youtube gezet en dat is maar goed ook omdat anders niemand het zou geloven. Kowlgi claimt namelijk edelmetalen als goud, zilver en platina magnetisch te kunnen maken. Dat is voor fysici vloeken in de kerk. Het riekt naar alchemie en zwarte kunsten. Niet voor niets duurde het drie jaar voordat de ontdekking van Kowlgi en collega’s gepubliceerd werd in het chemische vakblad Langmuir (20 mei 2011).

“Edelmetalen worden al vijfduizend jaar als niet-magnetisch beschouwd”, weet de Indiase onderzoeker. Sterker nog, de afwezigheid van magnetisme gold als bewijs van puurheid van edelmetalen. En nu is er iemand die congressen afgaat met flesjes waarin gouddeeltjes zweven die je kunt aantrekken met een sterke magneet. “Mensen spelen er mee, en luisteren niet meer naar wat ik zeg”, heeft hij ondervonden.
Hoe kan puur goud of platina (het materiaal is gecheckt op verontreinigingen) magnetisch worden? Kowlgi daarover: “In natuurlijke vorm richt de elektronspin zich niet in een bepaalde richting. Maar op de manier waarop wij de deeltjes maken, in de aanwezigheid van een magnetisch veld, lijkt de elektronspin om te klappen waardoor er toch een magnetische voorkeursrichting ontstaat.” Ook de geringe grootte van de deeltjes lijkt een rol te spelen waardoor oppervlakte-effecten de overhand krijgen.
De ontdekking zelf was puur toeval of zelfs serendipiteit. Kowlgi had een afstudeerder gevraagd nanodeeltjes voor hem te bereiden uit een zoutoplossing en een reductor. De student voegde de oplossingen bijeen in een erlemeyer en zette die op een magnetische roerder maar vergat er een magnetische kogel bij te doen om de vloeistof in beweging te brengen. Toen Kowlgi na verloop van tijd de fout bemerkte en er alsnog een magnetische kogel bij deed, zag hij dat de gecoate kogel meteen zwart werd. Hij begreep dat de edelmetalen nanodeeltjes magnetisch waren en aangetrokken werden door het kogeltje. Uit latere experimenten bleek dat de aanwezigheid van het (roterende) magnetisch veld tijdens de vorming van de edelmetaaldeeltjes cruciaal is voor het magnetisme van de deeltjes.
Kowlgi denkt dat zijn vinding kan helpen om magnetische materialen sterker te maken. “Als je niet-magnetische materialen magnetisch kunt maken, dan kun je magnetische materialen misschien sterker maken door het oppervlakte-effect te vergroten.” Maar het meest verwacht hij van het gebruik van magnetische gouddeeltjes voor biomedische toepassingen en van magnetisch actieve katalysatoren. De industrie hoeft er niet zwaar voor te investeren, zegt Kowlgi. “Ze kunnen dezelfde processen handhaven, maar nu met een magneet eronder.” Een Duitse chemiereus heeft al belangstelling getoond voor  magnetische katalysatoren.

De benadering van natuurkundestudente Mischa van der Haar en postdoc dr. Francois Guillou is traditioneler, maar berust eveneens op een toevallige vondst. Guillou is betrokken bij de ontwikkeling van magnetocalorische materialen voor koeling zonder chemicaliën. Daarvoor zoeken ze materialen die warmte afgeven bij magnetisatie en die zonder opgelegd magnetisch veld weer opnemen. Dat betekent dat geschikte materialen hun magnetisme moeten verliezen bij de temperatuur van een fris biertje. Maar bij de speurtocht naar geschikte materialen ontdekte Guillou dat door toevoeging van germanium het materiaal ook bij hogere temperatuur magnetisch bleef. Misschien was dit een veelbelovend nieuw magnetisch materiaal, dacht hij, en zocht een student om er eens in te duiken.
Van der Haar heeft toen een aantal materialen nader onder de loep genomen voor haar bachelor eindproject. Dat onderzoek verloopt tamelijk ambachtelijk en vergt veel tijd. Ze maakte samples met nauwkeurig afgewogen hoeveelheden ijzer, mangaan, fosfor en telkens iets meer germanium. De mengsels werden in een stalen vijzel gemalen, samengeperst, verhit tot bijna duizend graden en afgekoeld. Dan maten de onderzoekers de magnetisatie door het monster te onderwerpen aan een extern magnetisch veld. Daarbij is het van belang of en in welke mate het sample zelf permanent magnetisch wordt.
Guillou vindt de resultaten tot nu toe ‘veelbelovend’ en denkt dat het beter kan door de monsters te verkruimelen en de meest actieve korrels eruit te halen en samen te voegen tot een sterkere magneet. Dat klinkt omslachtig, maar zo gebeurt het in de industrie ook, verzekert de Fransman.

In zijn mengsels probeert Guillou de zeldzame aarden te vervangen door mangaan. Hij legt uit dat de magnetische werking van lanthaniden berust op een voorkeursrichting voor de elektronspin loodrecht op de zeshoekige kristalstructuur. “Die lokale anisotropie maakt het materiaal goed te magnetiseren”, licht hij toe. Het probleem met ijzer is altijd geweest dat niemand een idee had hoe er zo’n soortgelijke voorkeursrichting voor de elektronspin in aan te brengen. Guillou denkt nu dat mangaan die functie zou kunnen vervullen. “Mangaan zou de sleutel kunnen zijn ”, zegt Guillou. “Maar het is heel complex.” Ook Van der Haar is voorzichtig optimistisch: “Het ziet er veelbelovend uit, maar we weten niet waar het uitkomt.”
Dat is ook ongeveer de stand van zaken bij de laboratoria die aan het Amerikaanse React-programma meedoen. Ondanks de 22 miljoen euro aan onderzoeksgeld is er nog geen enkel lab dat een doorbraak claimt. Ideeën voor nieuwe magneten staan voorlopig in geen verhouding tot de groeiende behoefte eraan. En ondertussen komen 21ste eeuwse verworvenheden als smartphones, windparken en elektrisch vervoer steeds meer in de tocht te staan. Misschien is het tijd voor een Europees onderzoeksprogramma om magneten meer aantrekkelijk te maken.

Dit stuk is deels gebaseerd op het artikel ‘Loss of attraction: We’re running out of magnets’ van Richard Webb dat op 30 oktober 2012 in het blad New Scientist verscheen.shutterstock_7870564_274x412

Posted in Artikelen, Delta.

Tagged with , .