High-throughput Discovery of Magnetic Rare Earth Transition Metal Alloys

تعتمد الحياة المعاصرة على قوى غير مرئية. فالمحركات الكهربائية التي تحرك السيارات، والمولدات التي تشغل توربينات الرياح، والمحركات الدقيقة داخل أجهزة الكمبيوتر، كلها تعتمد على المغناطيسات الدائمة. وهذه عبارة عن مواد تحتفظ بمجال مغناطيسي دون الحاجة إلى كهرباء لإبقائها نشطة. ولعقود من الزمن، اعتمدت أفضل المغناطيسات على عائلة محددة من المعادن: عناصر أرضية نادرة ممزوجة مع معادن انتقالية مثل الحديد أو الكوبالت. وبينما تعمل هذه المواد بشكل رائع، إلا أنها باهظة الثمن وسلاسل توريدها هشة. وقد اشتبه العلماء منذ فترة طويلة في وجود تركيبات أخرى أفضل من الذرات تنتظر الاكتشاف، لكن عدد الخلطات الممكنة هائل لدرجة أن محاولتها واحدة تلو الأخرى في المختبر قد تستغرق قروناً.

ولحل هذه المشكلة، توجه الباحثون إلى نوع جديد من البحث. فبدلاً من خلط المواد الكيميائية في وعاء مخبري، يستخدمون حواسيب قوية لتخيل ملايين الهياكل البلورية الجديدة. هذه الهياكل هي الأنماط المتكررة التي تترتب بها الذرات. ومن خلال استخدام الذكاء الاصطناعي لتوليد هذه الأنماط ثم اختبارها باستخدام عمليات محاكاة فيزيائية متقدمة، يمكن للعلماء العثور على المرشحات الواعدة قبل الخطو أي خطوة داخل المختبر. يتيح هذا النهج البحث عن مواد ليست مغناطيسية فحسب، بل مستقرة أيضاً بما يكفي للوجود في العالم الحقيقي. والهدف هو العثور على مغناطيسات أقوى وأكثر موثوقية مما هو متاح حالياً، وربما باستخدام عناصر أكثر شيوعاً لتقليل التكاليف ومخاطر التوريد.

قام فريق من الباحثين في جامعة نورث كارولينا في شارلوت وجامعة فرجينيا بتطبيق طريقة الاكتشاف عالية السرعة هذه للبحث عن مغناطيسات جديدة من العناصر الأرضية النادرة. وقد ركزوا على تركيبات من العناصر الأرضية النادرة، وتحديداً الإيتريوم والساماريوم، ممزوجة بالحديد والكوبالت والنيكل، بالإضافة إلى بعض المعادن الأخرى لتعمل كمثبتات. بدأ الفريق بسؤال نموذج ذكاء اصطناعي توليدي لإنشاء هياكل بلورية لأكثر من ثلاثة آلاف وصفة كيميائية مختلفة. أنتج النموذج ما يقرب من 240,000 ترتيب فريد للذرات. لم تكن هذه تخمينات عشوائية؛ فقد تم تدريب النموذج على مواد مستقرة معروفة وتم توجيهه لإنشاء هياكل تتوافق مع قواعد كيميائية محددة، مما يضمن أن تكون الأنماط الناتلة منطقية فيزيائياً.

بمجرد أن قام الكمبيوتر بتوليد هذه الاحتمالات الـ 240,000، تعين على الباحثين تصفيتها للوصول إلى الأقل عدداً والأكثر واعداً. استخدموا عملية فحص مكونة من خطوتين؛ أولاً، أجروا محاكاة سريعة تعتمد على التعلم الآلي للتحقق من الهياكل التي يُحتمل أن تكون مستقرة. استبعدت هذه الخطوة الغالبية العظمى من المرشحين، تاركةً بضعة آلاف فقط تبدو جديرة بالاهتمام. بعد ذلك، أخضعوا الناجين من هذه العملية لحساب فيزيائي أكثر صرامة ودقة يُعرف باسم "نظرية الدوال الوظيفية للكثافة". أكدت هذه الخطوة أي الهياكل كانت مستقرة حقاً وحسبت قوتها المغناطيسية. وكانت النتيجة قائمة تضم أكثر من 300 مرشح منخفض الطاقة المغناطيسية. ومن بين هذه المرشحات، وُجد أن خمسة منها مستقرة ديناميكياً حرارياً، مما يعني أنها يجب أن تكون قادرة على الوجود طبيعياً دون أن تتفكك.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة هو قوة المغناطيسات التي اكتشفوها. فقد كانت أفضل المرشحات غنية بالحديد، وهو العنيد الذي يوفر معظم القوة المغناطيسية. أحد التركيبات المتميزة، والذي يتضمن الساماريوم والحديد، وصل إلى مغناطيسية تشبع تبلغ حوالي 1.8 تسلا. وهذا مقياس لمدى قوة المجال المغناطيسي عندما يكون المادة مشبعة تماماً. وللمقارنة، يعد هذا أقوى بكثير من العديد من المغناطيسات التجارية الحالية. كما وصل أداء آخر رفيع المستوى، وهو مزيج من الإيتريوم والحديد والتيتانيوم، إلى ما يقرب من 1.8 تسلا أيضاً. ووجد الباحثون أن قوة المغناطيس تعتمد بشدة على عدد ذرات الحديد المحشورة في الهيكل. فكلما زادت كمية الحديد التي يمكن وضعها داخل الشبكة البلورية، أصبح المغناطيس أقوى.

كما كشفت الدراسة كيف تُبنى هذه المغناطيسات الجديدة. فمعظم المركبات الثلاثية الناجحة – تلك التي تتكون من ثلاثة أنواع مختلفة من المعادن – لم تكن ذات أشكال جديدة تماماً. بدلاً من ذلك، كانت تنويعات على هياكل ثنائية معروفة حيث يتم استبدال نوع واحد من الذرات بنوع آخر بطريقة محددة للغاية. وجد الباحثون أن المعادن الجديدة، مثل المنجنيز أو التيتانيوم، تدخل في البلورة عبر تقسيم المواقع التي كانت تشغلها الذرات الأصلية. هذه العملية، المعروفة باسم "انقسام مواقع ويكوف"، سمحت للذرات الجديدة بتثبيت الهيكل دون تدمير المحاذاة المغناطيسية. وأظهر التحليل أن المنجنيز كان خياراً جيداً بشكل خاص لهذه الاستبدالات لأنه جعل اتجاهه المغناطيسي يتماشى مع ذرات الحديد، مما أضاف إلى القوة الإجمالية. في المقابل، اصطف الكروم في الاتجاه المعاكس، مما أضعف المغناطيس. وهذا يوفر دليلاً واضحاً للتجارب المستقبلية: إذا كنت تريد مغناطيساً أقوى، فاختر العناصر المضافة التي تتفق مع الحديد.

بينما وجد الكمبيوتر هذه الـ 300 مرشح، أشار الباحثون إلى أن البحث كان محدوداً بحجم الهياكل التي يمكن للذكاء الاصطناعي توليدها. فقد تقيد النموذج ببلورات تحتوي على ما لا يزيد عن 20 ذرة. ويقترح الفريق أنه إذا تمكنوا من توسيع هذا البحث ليشمل بلورات أكبر تحتوي على أكثر من 20 ذرة، فقد يجدون هياكل أكثر غنى بالحديد ذات مغناطيسية تتجاوز 1.8 تسلا. يوضح هذا العمل أن النهج التوليدي هو أداة قوية للملاحة في المشهد المعقد لعلوم المواد. فهو يتجاوز طرق التجربة والخطأ البطيئة التي كانت متبعة في الماضي، ويقدم مساراً منهجياً لاكتشاف مواد يمكنها يوماً ما تشغيل الجيل القادم من المركبات الكهربائية وتقنيات الطاقة الخضراء. المسار نحو المستقبل واضح: تحسين النماذج للتعامل مع هياكل أكبر واختبار هذه المرشحات المتوقعة في المختبر لمعرفة مدى إمكانية جعلها واقعاً.