«Живі» лантаноїди

Дослідники виявили нові матеріали, здатні значно змінювати свої розміри під дією магнітного поля. Ця властивість дозволить використовувати такі матеріали в ряді галузей сучасної техніки.

На дні колби з водою, вміщеній між полюсами електромагніту, лежав металевий брусок. Клацнув вимикач, навколо магнітів виникло поле, і негайно ж над посудиною піднявся фонтан водяних крапель. А «двигуном» фонтану був раптово ожилий брусок. Він, в буквальному сенсі слова, дихав, то різко збільшуючись в обсязі, то зіщулившись до початкових розмірів. Змінював свої розміри брусок через магнітострикції, тобто здатності будь-якої магнітної речовини змінювати свої розміри і форму під впливом магнітного поля.

Магнітострикцію виявили порівняно давно в металах-феромагнетиках, до числа яких належать залізо та сталь, нікель і кобальт. Як і всі інші речовини, феромагнетики складаються з атомів, навколо ядер, яких обертаються по певних орбітах електрони. Орбіти ці віддалені від ядра на різні відстані, змінювані мільйонними частками міліметра. Кожен електрон є мікроскопічним магнітиком. Але якщо в звичайних металах міріади крихітних магнітиків нейтралізують один одного, то у феромагнетиків подібної рівноваги немає, так як в їх атомах є незаповнені електронами орбіти.

Якщо подібних «дірок» не тисяча і не мільйон, а сотні і тисячі мільярдів і розміщені вони зовсім не безладно, а зібрані в паралельні шеренги, то в металі і зароджуються так добре знайомі кожному з нас магнітні сили. Коли на феромагнетик діють штучним магнітним полем, то «хмари» електронів, які є в металі, тиснуть на кристалічну решітку металу. Якщо остання досить міцна, як, скажімо, у традиційних феромагнетиків, то деформується більш м’яка електронна хмара, а якщо ні, то деформується сама решітка, причому брусок металу змінює свої розміри. Зазвичай ці зміни незначні.

Кілька років тому дослідники зареєстрували надзвичайно потужні магнітострикційні властивості у деяких рідкоземельних елементів, так званих лантаноїдів. Ці речовини незвично сильно (в 100-120 разів більше, ніж типові феромагнетики) змінювали розміри під впливом магнітного поля. Але лантаноїди дуже рідкісні і «діють» при температурах нижче кімнатної. Фахівці ж створили на базі лантаноїдів нові сплави, що працюють при кімнатній температурі. Один з них і знаходився на дні фонтануючої колби.

Фізиками вже отримані матеріали, здатні помітно змінювати свої розміри під впливом магнітного поля. Нові сплави знайдуть широке застосування в техніці, наприклад в металообробці. Алмазний інструмент, насаджений на магнітострикційному основу, дозволить з небувалою точністю і делікатністю розточувати і шліфувати надзвичайно тверді і крихкі матеріали, обробляти які поки ще не навчилися. Варто подіяти на такий різець магнітним полем, і він збільшить або зменшить глибину обробки матеріалу. Не менш перспективні такі матеріали і в найскладніших системах автоматики.