โครงการวิจัย 3: แม่เหล็กถาวรจากโครงสร้างนาโน สำหรับการทำความเย็นด้วยสนามแม่เหล็ก

 

            แม่เหล็กถาวร (permanent magnets) เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องใช้ไฟฟ้า และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แท่งแม่เหล็กที่มีผลผลิตพลังงาน (energy product) สูง จะเพิ่มพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตและประสิทธิภาพในการเปลี่ยนรูปพลังงานได้ แม่เหล็กที่ครองตลาดการใช้งานในปัจจุบัน คือ แม่เหล็กเฟร์ไรต์ซึ่งมีราคาถูกแต่ประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำ และแม่เหล็กแรร์เอิร์ท (rare earth magnets) ที่มีผลผลิตพลังงานสูง ให้ค่าสนามแม่เหล็กความเข้มมากที่สุด แต่การพัฒนาสมบัติของแม่เหล็กเหล่านี้ได้เข้าสู่จุดอิ่มตัว อีกทั้งธาตุแรร์เอิร์ทต่างๆ ที่ใช้ในการผลิตแม่เหล็ก เช่น neodymium (Nd) และ dysprosium (Dy) ซึ่งถูกผูกขาดโดยประเทศจีนกลับมีปริมาณลดลงเรื่อยๆ ทำให้ในอนาคตจะมีปัญหาในการสรรหาวัตถุดิบให้เพียงพอกับการผลิต แม่เหล็กนีโอดีเมียม (Nd-Fe-B) รวมถึงแม่เหล็กที่มีส่วนผสมของธาตุแรร์เอิร์ทอื่นๆ เช่น samarium (Sm) และ Dy การพัฒนาเทคโนโลยีจากวัสดุใหม่เพื่อผลิตแท่งแม่เหล็กถาวร จึงมีส่วนสำคัญในการประหยัดพลังงานที่ใช้ในมอเตอร์เครื่องใช้ไฟฟ้า เพิ่มพลังงานที่กำเนิดขึ้นจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลมและอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงาน รวมทั้งตู้เย็นแม่เหล็กในอนาคต การสร้างองค์ความรู้และพัฒนาเทคโนโลยีที่ทำได้ตลอดกระบวนการในประเทศไทยนี้ สอดคล้องกับยุทธศาสตร์การพัฒนาประเทศ ที่วิจัยเพื่อพัฒนาวัสดุนาโนสู่อุตสาหกรรมการผลิตในประเทศในอนาคต
           แนวคิดในการทดแทนแม่เหล็กแรร์เอิร์ทที่ครองตลาดในปัจจุบัน มีฐานอยู่บนทฤษฎีและแนวคิดวิธีในการผลิตแม่เหล็กถาวรแบบใหม่ จากการอัดอนุภาคนาโนแม่เหล็กถาวรเข้ากับแม่เหล็กอ่อน เป็น hard/soft magnetic nanocomposite ที่เฟสซอฟท์ (แม่เหล็กอ่อน) ช่วยขัดการเลื่อนของโดเมนของเฟสฮาร์ด (แม่เหล็กถาวร) แม้ว่าแม่เหล็กที่มีส่วนผสมของธาตุแรร์เอิร์ทเป็นแม่เหล็กถาวรที่มี ค่าผลผลิตพลังงาน และสนามลบล้างแม่เหล็ก (coercive field) สูง แต่ไม่สามารถสังเคราะห์ให้มีระดับขนาดนาโนเพื่อใช้งานได้ และ เมื่อวัสดุแม่เหล็กทั่วไปมีขนาดลดลงจนถึงระดับนาโน จะสูญเสียความเป็นแม่เหล็กเฟร์โรและกลายสภาพเป็นซูเปอร์พาราแมกนีติก (superparamagnetic) จึงต้องวิจัยและพัฒนาวัสดุใหม่ 3 ชนิดได้แก่

 

           เหล็กพลาตินัม (FePt) เป็นวัสดุที่มีความพิเศษเนื่องจากสามารถคงสภาพแม่เหล็กเฟร์โรได้แม้มีขนาดต่ำกว่า 10 นาโนเมตร จึงถูกนำมาวิจัยและพัฒนาเพื่อประยุกต์ใช้เป็นสื่อบันทึกแม่เหล็ก (magnetic recording media) ในฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟความจุข้อมูลสูงกว่า 10 เทระบิตต่อตารางนิ้ว ปัจจุบันนักวิจัยสามารถสังเคราะห์อนุภาค FePt ที่มีขนาดและรูปร่างค่อนข้างสม่ำเสมอ แต่ก็ยังไม่สามารถควบคุมองค์ประกอบ (composition) ในแต่ละอนุภาคให้สม่ำเสมอได้ ประกอบกับสารตั้งต้นที่ใช้สังเคราะห์แล้วได้ผลดีคือ Fe(CO)₅ เป็นสารที่มีความเป็นพิษสูงและราคาแพงจึงไม่เหมาะที่จะใช้ในทางอุตสาหกรรมจากการศึกษาสมบัติแม่เหล็กพบว่า ภายหลังการให้ความร้อนอนุภาคเหล็กพลาตินัมมีสมบัติแม่เหล็กเฟร์โรที่มีค่าผลผลิตพลังงานสูง แสดงด้วยฮิสเทอรีซีสลูปที่กว้างและมีงานวิจัยที่สามารถพัฒนาเทคนิคที่ลดการเกาะตัวกันเป็นอนุภาคใหญ่ขึ้นได้ อย่างไรก็ตามอุปสรรคสำคัญในการใช้เหล็กพลาตินัมผลิตแม่เหล็กถาวรสำหรับตู้เย็นแม่เหล็กในอนาคต คือ พลาตินัมมีราคาสูง

 

            แมงกานีสบิสมัท(MnBi) เป็นสารประกอบโลหะแสดงความเป็นแม่เหล็กเฟร์โร ในโครงสร้างเฮกซะโกนัล แบบ NiAs ในเฟส LTP (low temperature phase) สนามลบล้างแม่เหล็ก ของแมงกานีสบิสมัทมีค่าสูงจาก magnetocrystalline anisotropy และมี positive temperature coefficient นั่นคือ มีความพิเศษที่ไม่ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นดังเช่นแม่เหล็กทั่วไป แมงกานีสบิสมัท สามารถเตรียมได้หลายวิธี arc melting, melt spinning, solid state sintering และ ball milling ซึ่งการใช้ ball milling ยังช่วยเพิ่มค่าสนามลบล้างแม่เหล็ก
ได้โดยการลดขนาดของเกรนแต่การสังเคราะห์เป็นอนุภาคระดับนาโนที่มีผลผลิตพลังงานสูงและมีผลผลิตมากพอสำหรับการขึ้นรูปเป็นแม่เหล็กถาวร ยังคงต้องการการวิจัยและพัฒนา
เพิ่มเติม

            โคบอลต์คาร์ไบด์ (Co_nC, n=1-6) เป็นวัสดุที่ได้รับการวิจัยน้อยกว่าเหล็กพลาตินัม และแมงกานีสบิสมัท โดยมีรายงานการสังเคราะห์ทางเคมีจนได้อนุภาคที่มีผลผลิตพลังงงานสูง จากกลุ่มวิจัยเพียงบางกลุ่มเท่านั้นจึงเป็นความท้าทายในการดัดแปลงกระบวนการสังเคราะห์ให้มีผลผลิตสูง เหมาะสมกับการประยุกต์ใช้เชิงพาณิชย์ต่อไป เนื่องจากโคบอลต์คาร์ไบด์มีต้นทุนต่ำกว่าเหล็กพลาตินัม เช่นเดียวกับแมงกานีสบิสมัท ซึ่งหากผลการวิจัยนำไปสู่กระบวนการผลิตอนุภาคอนุภาคนาโนที่เป็นแม่เหล็กถาวรที่เหมาะสมได้แล้ว สามารถนำเข้าสู่กระบวนการขึ้นรูปร่วมกับแม่เหล็กอ่อนเป็น hard/soft magnetic nanocomposites ต่อไป

 

 

หัวหน้าโครงการ: รองศาสตราจารย์ ดร. ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล ¹⁾
นักวิจัยสมทบ: ดร.ธนิดา เจริญสุข ¹⁾, ผศ.ดร.พิมผกา ฮาร์ดิง ²⁾, อ.ดร.คมกริช โชคพระสมบัติ ³⁾, อ.ดร.ฉัตร ผลนาค³⁾, อ.ดร.วิฑูรย์ ตั้งวัฒนกุล ⁴⁾
หน่วยงานต้นสังกัด: 1) สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์, 2) สาขาวิชาเคมี มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์, 3) ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยทักษิณ, 4) ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยราชภัฏนครศรีธรรมราช