Genom historien har grundämnet järn haft en extremt viktig del i mänsklighetens tekniska utveckling. Järn är det grundämne som tillsammans i en legering med kol är basen för stål vilket är ett av våra viktigaste konstruktionsmaterial i byggnader, fordon och infrastruktur. Järn är också det mest välbekanta magnetiska materialet och det tros utgöra den största delen av jordens innersta kärna. Av dessa skäl är järn ett av de mest studerade grundämnena inom materialvetenskapen, men alltjämt har det saknats en fullständig förståelse för metallens komplicerade egenskaper.
Komplexiteten och svårigheten att förstå järn har sitt ursprung i samspelet mellan dess magnetiska egenskaper och de vibrationer hos atomerna som en hög temperatur alltid ger upphov till. Tidigare fysikaliska modeller och beräkningar har därför ofta antingen fokuserat på magnetismen, eller på atomvibrationerna, eller atomernas kristallstruktur för sig självt. Sådana modeller har kunnat förklara vissa egenskaper, som ferromagnetismen, att järnobjekt kan skapa ett magnetiskt fällt runt sig. Dock så misslyckas sådana modeller med att förutsäga egenskaper för nya järnmaterial vid deras tänkta användningstemperaturer.
En schematisk illustration av hur järnatomerna (blå cirklar) i kristallen vibrerar samtidigt som deras magnetiska fällt (gröna pilar) varierar i riktning och längd vid hög temperatur. I figuren till höger visas en illustration över hur ett magnetiskt material som järn kan beskrivas i sin innersta struktur. atomerna, blå cirklar, vibrerar ständigt och ju högre temperatur, desto större blir svängningarna. Elektronerna runt varje atom skapar tillsammans dess magnetiska fält, en grön pil i illustrationen. På ett liknande sätt som atomerna vibrerar så fluktuerar det magnetiska fältet, det ändrar riktning och det varierar i styrka. Ju högre temperatur desto starkare fluktuationer.
Detta är fenomen som både påverkar stålets styrka och jordens magnetfält.
Höga temperaturer
Vid en tillräckligt hög temperatur, för järn är den 770°C, är atomernas magnetiska fält helt oordnade, de motverkar varandra, och magneten tappar förmågan att attrahera andra magnetiska material. I verkligheten har alla metaller också defekter i sin struktur. Vissa av dessa defekter är avgörande för vilken styrka metallen har och dess förmåga att stå emot deformation. Att förklara defekterna och samtidigt ta hänsyn till magnetismen vid rumstemperatur eller högre har varit omöjligt.
Forskargruppen Teori för oordnade material på Teoretisk fysik-avdelningen vid Linköpings universitet ägnar sig åt dessa svåra frågor. Gruppen som idag består av tio forskare och leds av Björn Alling publicerar nu genombrott på området i två vetenskapliga artiklar och i två examensarbeten av studenter som arbetat i gruppen.
I den första studien har doktoranden Davide Gambino, tillsammans med Björn Alling och de tre civilingenjörsstudenterna Marian Arale Brännvall, Amanda Ehn och Ylva Hedström visat hur magnetismen i järn under de extrema förhållandena som finns inuti jordens kärna kan beräknas. Det handlar om temperaturer på ca 6000 grader C och tryck över 3 miljoner atmosfärer. För att förstå detta krävs att såväl atomernas rörelser som magnetiska fälts oordning tas i beaktande. Gruppen upptäckte att även i flytande järn, som dominerar i jordens yttre kärna, så finns de oordnade magnetiska fälten kvar runt järnatomerna. Det är något som ännu inte varit känt och det måste nu tas i beaktande när forskare försöker klarlägga ursprunget till, och framtiden för, jordens globala magnetfält.
Felordnade atomer
I en parallell undersökning har gruppen undersökt hur magnetismens oordning påverkar järnets mekaniska styrka. Detta görs via studier av ett kristallfenomen som heter dislokation, en typ av felordning av atomerna inne i kristallen. Dessa rader av felordnade atomer är nyckeln till att förstå hur alla metaller böjs när de utsätts för stora krafter. Det har hittills inte varit möjligt att beräkna vad som händer med dislokationerna när magnetismen blir oordnad vid hög temperatur, men nu är frågan löst av Luis Casillas-Trujillo tillsammans med andra gruppmedlemmar och en internationell samarbetspartner i Paris. Detta genombrott möjliggör beräkningar av mekaniska egenskaper, stålets traditionella styrka som material, ända upp till de temperaturer då metallen glöder av värme.
Dessa resultat har nu blivit publicerade i två artiklar i den välrenommerade tidskriften Physical Review B och delar har presenterats av studenterna i examensarbeten.
– Vi kommer nu använda dessa nya beräkningsmetoder för att förklara magnetiska mysterier i andra kemiska föreningar samt för att designa nya stål direkt i superdatorerna, säger Björn Alling.
Referenser till artiklarna:
[1] D. Gambino, M. Arale Brännvall, A. Ehn, Y. Hedström, and B. Alling,
“Longitudinal spin fluctuations in bcc and liquid Fe at high temperature and pressure calculated with a supercell approach”,
Physical Review B 102, 014402 (2020)
[2] L. Casillas-Trujillo, D. Gambino, L. Ventelon, and B. Alling,
“Screw dislocation core structure in the paramagnetic state of bcc iron from first-principles calculations”,
Physical Review B, 102, 094420 (2020)
[3] Master Diploma work by Marian Arale Brännvall,
”Accelerating longitudinal spin fluctuation theory for iron at high temperature using a machine learning method”
Linköpings universitet (2020)
[4] Master Diploma work by Amanda Ehn,
”A theoretical study of longitudinal and transverse spin fluctuations in disordered Fe64Ni36 alloys ”
Linköpings universitet (2020)