Seltenerdmagnete sind für Hochleistungs-Elektromotoren in Fahrzeugen, Drohnen und Zügen unverzichtbar und bilden das Rückgrat einer modernen, umweltfreundlichen Mobilität. Es handelt sich dabei nicht um einfache Metallblöcke, sondern um sorgfältig konzipierte Materialien mit einer komplexen inneren Nanostruktur, die aus winzigen Bausteinen, sogenannten Phasen, besteht. Jede Phase besitzt ihre eigene Kristallstruktur, Chemie und physikalische Beschaffenheit. Stärke und Stabilität der Magnete werden letztlich dadurch bestimmt, wie sich die Magnetisierung an den Grenzflächen dieser winzigen Bausteine verhält und dort entmagnetisierenden Kräften widersteht. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Effizienz und Zuverlässigkeit der Elektromotoren.

Mit der Kombination fortschrittlicher magnetischer Messungen, verschiedener Mikroskopieverfahren und mikromagnetischer Simulationen untersuchten die Forschenden einen leistungsstarken Samarium-Kobalt-Magneten, Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇, der für seine hervorragende thermische und chemische Stabilität bekannt ist. Moderne Bildgebungsverfahren machten einzelne Atome sichtbar und konnten zeigen, dass Magnete mit hoher und mittlerer Leistung zwar strukturell ähnlich aussehen können, sich jedoch im Nanobereich in ihrer chemischen Zusammensetzung stark unterscheiden.

Nanostruktur entscheidet: Was an Grenzflächen im Magneten passiert

Eine zentrale Entdeckung war, dass die stärksten Magnete an der Grenze einer kritischen inneren Phase eine ultradünne, kupferreiche Schicht – nur ein bis zwei Atome dick – aufweisen. Diese atomare Struktur wirkt wie eine effektive Verankerungsbarriere, unterdrückt die Entmagnetisierung und ermöglicht so einen zuverlässigen Betrieb unter extremen Bedingungen.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis betrifft die sogenannte Korngrenze, die in einem Kristall Bereiche mit unterschiedlicher Ausrichtung, aber ansonsten gleicher Kristallstruktur voneinander trennt. Sie galt lange Zeit als Schwachstelle für den Beginn der Entmagnetisierung. Nun stellten die Forschenden des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich/Transregio 270 – Hysterese-Design Magnetischer Materialien für effiziente Energieumwandlung (HoMMage) jedoch fest, dass Korngrenzen die Magnetleistung nicht wesentlich beeinträchtigen, sondern das eigentliche Potenzial für Leistungssteigerungen in den kristallinen Teilen selbst liegt. Magnete werden demnach stärker und stabiler, wenn ihre innere Nanostruktur auf atomarer Ebene sorgfältig optimiert wird. Selbst kleinste Veränderungen im Aufbau und in der Verteilung können hier die magnetischen Eigenschaften des gesamten Materials signifikant verbessern.

Beim Vergleich der Laborbeobachtungen mit mikromagnetischen Computermodellen erkannten die Forschenden sogenannte „ideale Defekte”, die für den stabilsten und stärksten Zustand des Magneten verantwortlich sind. Diese theoretischen Erkenntnisse helfen zu erklären, warum einige Bereiche des Magneten eine bessere Leistung erbringen als andere und liefern wertvolle Anhaltspunkte für die Entwicklung noch stärkerer und effizienterer Magnete in der Zukunft, sodass langwierige und kostspielige „Trial-and-Error“-Versuche nicht mehr erforderlich sind.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit von Hochschulen und Industrie als Erfolgsfaktor

Die Studie unterstreicht, wie wichtig die Kombination komplementärer Expertise aus verschiedenen Institutionen und Disziplinen war, um ein umfassendes Verständnis davon zu erlangen, wie Magnete ihre Eigenschaften aus dem Zusammenspiel von Struktur und Zusammensetzung bis hin zur atomaren Ebene beziehen. Diese Arbeit ist das Ergebnis einer engen wissenschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Hochschulen und Industrie. Beteiligt sind das Institut für Materialwissenschaft (TU Darmstadt), das Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien (Düsseldorf), das Ernst-Ruska-Zentrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (Forschungszentrum Jülich) die School of Physics and Astronomy (Universität Glasgow), die VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG (Hanau) sowie die Fakultät für Physik und Zentrum für Nanointegration (CENIDE, Universität Duisburg-Essen). Das veröffentlichte Manuskript ist gleichzeitig eine Zusammenfassung eines Pilotprojekts, das im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 270 durchgeführt wurde.