แม่เหล็กถาวร (permanent magnet) มีบทบาทที่สำคัญในสังคมยุคใหม่เนื่องจากคุณสมบัติที่เด่นของแม่เหล็กถาวรที่สามารถให้กำเนิดสนามแม่เหล็กได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน จากแหล่งใดๆแม่เหล็กถาวรจึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายอุปกรณ์ในชีวิตประจำวัน ความหลากหลายของการประยุกต์ใช้แม่เหล็กถาวรทำให้เกิดความต้องการวัสดุแม่เหล็กถาวรที่แตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้ ข้อพิจารณาหลักในการเลือกชนิดแม่เหล็กถาวรคือความแรงของสนามแม่เหล็ก และความสามารถของสารแม่เหล็กที่จะคงสภาพความเป็นแม่เหล็กเมื่อใช้งานในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศตรงกันข้ามหรือเมื่ออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตร เช่น ที่อุณหภูมิสูง นอกเหนือจากนั้นข้อพิจารณาที่สำคัญคือราคา ตัวอย่างชนิดของแม่เหล็กถาวร เช่น แม่เหล็กถาวรที่ทำจากสตรอนเตียมเฟอร์ไรต์ราคาถูก (strontium ferrite, SrFe12O19 หรือ SrO6Fe2O3) นิยมนำมาใช้เป็นสติกเกอร์แม่เหล็กติดบนผนังตู้เย็น แม่เหล็กถาวรขนิดสารเฟอร์ไรต์ผ่านการถูกอบร้อนที่ใช้ในแมกเนตรอน (magnetron) ช่วยในการสร้างคลื่นไมโครเวฟในเตาอบไมโครเวฟ แม่เหล็กถาวรที่เป็นที่รู้จักในชื่อของอัลนิโค (Alnico ซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือ Fe, Al, Ni และ Co โดยมีการเจือสาร Cu, Ti และ/หรือ Si) เป็นแม่เหล็กที่ใช้เป็นเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น ในอุปกรณ์ป้องกันขโมยและในระบบย่อยของยานพาหนะอีกมากมายแม่เหล็กถาวรที่แพงขึ้นมาอีกระดับหนึ่งคือแม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงซึ่งเป็นแม่เหล็กถาวรที่มีค่าสนามแม่เหล็กค่อนข้างสูงและเป็นที่รู้จักในชื่อแม่เหล็กนีโอ (neo magnet, Nd2Fe14B โดย Nd คือธาตุ Neodymium, Fe คือธาตุเหล็ก และ B คือธาตุโบรอน) แม่เหล็กนีโอที่ขึ้นรูปด้วยการอัดด้วยความดันพบการใช้งานในมอเตอร์เพื่อหมุนแผ่น CDs DVDs และ แผ่น Blue ray ส่วนแม่เหล็กนีโอที่ผ่านการอบร้อนถูกใช้เป็นตัวขับเคลื่อนหัวอ่าน-เขียนของฮาร์ดดิสค์ ณ ปัจจุบัน แม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการพัฒนาเทคโนโลยีหลายด้าน เช่น เทคโนโลยีขับเคลื่อนรถไฟฟ้าด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง และเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้ไดนาโมประสิทธิภาพสูงในการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานธรรมชาติ (เช่น พลังงานลม และพลังงานคลื่นน้ำ) ความต้องการใช้แม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงทั้งในแง่ของปริมาณและประสิทธิภาพมีแนวโน้มที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ
ในความเป็นจริง สารประกอบ Fe-N มีโครงสร้างเคมีหลากหลายจึงถูกคาดหมายที่จะนำไปประยุกต์ใช้งานหลายด้าน สำหรับสารประกอบ Fe-N ที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ดี ได้มีการรายงานแผ่นฟิล์มบางผลึกเชิงเดี่ยว Fe16N2 ที่มีค่าความอิ่มตัวของแมกเนไตเซชัน (Ms, saturation magnetization) สูงที่สุดในบรรดาสารประกอบโลหะทั้งหมด การที่ค่า Msมีค่าสูงนั้น ทำให้มีความปรารถนาที่จะนำเอา Fe16N2 ไปใช้เป็นวัสดุสำหรับแผ่นบันทึกข้อมูลของฮาร์ดดิสค์ความจุสูง และใช้เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ในช่วงเวลาที่ผ่านมาได้มีความพยายามที่จะสังเคราะห์ Fe16N2 โดยเทคนิคต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำฟิล์มบางโดยเทคนิคแมกเนตรอนสปัตเตอร์ริง (magnetron sputtering) และการผลิตอนุภาคนาโน Fe16N2 โดยวิธีการทางเคมีที่เรียกว่าเทคนิคการทำให้เป็นไนไตรด์โดยความร้อน (thermal nitridation)แต่อย่างไรก็ตาม ได้มีการรายงานว่าสารแม่เหล็ก Fe16N2 ที่สังเคราะห์ได้นั้นมีความไม่เสถียรสามารถถูกทำให้เปลี่ยนโครงสร้างได้ในบรรยากาศปกติโดยความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 200 เซลเซียส ดังนั้นความท้าทายของงานวิจัยเกี่ยวกับตัวสารแม่เหล็กชนิดนี้ น่าจะเป็นเรื่องการที่จะทำให้ระบบสารประกอบแม่เหล็ก Fe-N มีความเสถียรทางโครงสร้างเคมีในบรรยากาศการใช้งานของแม่เหล็ก ล่าสุดได้มีรายงานวิจัยด้านทฤษฎีคำนวณได้แสดงถึงความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดความเสถียรทางโครงสร้างโดยการเติมธาตุแทรนซิชันทำให้ได้สารประกอบ Fe15TMN2 และ Fe14TM2N2 (TM คือธาตุแทรนซิชัน) และยังคงทำให้สารประกอบดังกล่าวแสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก นอกเหนือจากความพยายามที่จะหาสารประกอบแม่เหล็กชนิดใหม่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ได้มีรายงานเกี่ยวกับพัฒนาการด้านคอมโพสิตของวัสดุแม่เหล็กนาโนระหว่างสารที่มีค่าความอิ่มตัวของแมกเนไตเซชันที่สูงกับสารแม่เหล็กที่ความสามารถที่จะคงสภาพความเป็นแม่เหล็กเมื่ออยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศตรงกันข้ามมีค่า (มีค่า coercivity ที่สูง) เพื่อที่จะเพิ่มค่าความหนาแน่นพลังงานสูงยิ่งขึ้นและ/หรือเพิ่มความเสถียรภาพทางเคมีให้มากขึ้น ตราบใดที่แม่เหล็กยังเป็นชิ้นส่วนสำคัญที่ทำให้มีการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าและในทางกลับกัน และที่สำคัญยิ่งคือการขยายขอบเขตการใช้งานแม่เหล็กในระบบทำความเย็นในอนาคต เช่น ตู้เย็นแม่เหล็ก จะทำให้ความต้องการแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงมีมากเพิ่มยิ่งขึ้น
เป้าหมายหลักของโครงการวิจัยนี้คือการหาสารแม่เหล็กที่มีค่าความหนาแน่นพลังงานสูงและมีความเสถียรทางโครงสร้าง โดยเริ่มจากการศึกษาโครงสร้างต่างๆของสารประกอบเหล็กไนไตรด์ที่เตรียมในรูปของฟิล์มบางโดยเทคนิคแมกเนตรอนสปัตเตอร์ริง การใช้ฟิล์มเป็นรูปแบบสารในการศึกษาเพราะใช้ปริมาณวัสดุที่น้อยและสามารถนำไปศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอันเนื่องมาจากความร้อนโดยเทคนิค LEEM/PEEM ซึ่งเป็นเทคนิคที่สามารถถ่ายภาพในระดับจุลภาคในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสารตัวอย่าง กล้องจุลทรรศน์ที่ใช้งานดังกล่าวสามารถควบคุมอุณหภูมิสารตัวอย่างได้สูงมากกว่า 1,200 เซลเซียส คาดว่าข้อมูลที่ได้จากเทคนิค LEEM/PEEM จะเป็นประโยชน์ยิ่งในการที่กำหนดเงื่อนไขที่จะเตรียมสารแม่เหล็กนาโนที่มีธาตุเหล็กและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลักที่จะสังเคราะห์โดยอาศัยเทคนิคที่มีศักยภาพในการผลิตสารเป็นจำนวนมากที่จะเพียงพอสำหรับการใช้งานที่ทำเป็นแม่เหล็กถาวรในระดับอุตสาหกรรม เทคนิคดังกล่าวคือการทำให้เป็นไนไตรด์โดยความร้อน ในงานวิจัยนี้จะมีการติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในขณะที่เกิดขึ้น (real time) ด้วยเทคนิค time resolved X-ray absorption spectroscopy (XAS) ซึ่งจะเป็นการที่จะได้ข้อมูลที่จะนำไปสู่ความสำเร็จในการสังเคราะห์แม่เหล็กนาโนที่มีธาตุเหล็กและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก
หัวหน้าโครงการ: รองศาสตราจารย์ ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล 1)