Miért vonzza a vegyészt a mágnes?
Németh Zoltán, Magkémiai Laboratórium, ELTE Alkímia ma - 2011.03.31.
Mítosz
Magnesz görög pásztor az Ida-hegyen sétálgatva odatapadt a földhöz vastalpú szandáljával / vashegyű botjával / csizmájának vasszögeivel stb.
2
Történelem
Krétai Knósszosz palotában Minósz trónterme (i.e. 1300 előtt) középen mágnesvasérccel (természetes magnetit, Fe3O4) volt kirakva
Guan Zhong (Kína, i.e. 720-645): első feljegyzések a mágnesvasércről, mágneses vasoxidokról, vasszulfidokról, összefoglaló nevén lágy kövekről „… a lágy kő a vas anyja, vonzza magához gyermekét…” 3
Történelem Thalész (Milétosz, kb. i. e. 624 – 546):
mágnesvasérc lélekkel rendelkezik, így vonzza a vasat
Ókori görögök, rómaiak a kis-ázsiai Magnesia ad Sipylum környékéről szerezték be
4
Történelem
Wang Chong (Kína, i.sz. 27 - 97) már a mágneses iránytűről írt, ami egy kanál alakú mágnesvasérc volt
1044. körül már hirtelen hűtéssel mágnesezett vasból készült halat használtak 5
Történelem
Kínában tengeri navigáció mágnesezett vastűvel már 1100tól
1187: Alexander Neckam, mágneses iránytű Európában
Pierre Pelerin de Maricourt 1269-ben írt a mágneses pólusokról
XVIII. században már ismerték a mágneses pólusokat, a mágnesezhetőséget és a mágneses vonzást, de magyarázni nem tudták 6
Történelem
Denis Poisson (1781 - 1840): mágneses tér, mint erőhatás
H. C. Øersted, 1820: elektromos árammal keltett mágneses tér
7
Történelem
André Marie Ampère, 1820: az Øersted-kísérlet ismétlése + atomi köráramok okozzák a mágnességet
William Sturgeon, 1825: elektromágnes, U alakú mágnes
Michael Faraday, 1831: indukció, dinamó, mágneses erővonalak, paramágnes vs. diamágnes
8
Történelem
James Clerk Maxwell, 1865: Maxwell-egyenletek
XX. század eleje: elemi részecskék, kvantummechanika, spin (Uhlenberg, Goudsmit, Dirac, Heisenberg) mágneses jelenségek (Curie, Néel)
9
A mágnesség „természetes” formái
10
A mágnesség „mesterséges” formái
11
Felhasználása ma
12
Felhasználása ma – GMR
13
Albert Fert
Peter Grünberg
Felhasználása ma – GMR
14
Felhasználása ma tengeralattjáró felderítés
15
Mi ebben a kémia? Mágneses mérőműszerek
I.
Mágneses anyagok
II.
16
NMR ESR Mössbauer-spektroszkópia Neutrondiffrakció SQUID stb. erősebb állandó mágnesek különleges mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok
Mi ebben a kémia? / módszerek
NMR: nuclear magnetic resonance, mágneses magrezonancia
17
atommag energiaszintjei külső mágneses térben felhasad(hat)nak, a felhasadás pontos mértéke azonban függ a kémiai környezettől is
Mi ebben a kémia? / módszerek
ESR:
párosítatlan elektronok (pl. szerves gyökökben) energiaszintjét hasítjuk fel vö. NMR
Mössbauer-spektroszkópia:
szintén atommag-szinteket vizsgálunk, de alap- és gerjesztett állapot közötti átmenettel 0 -3
~Beff
-6
-4
-2
0
v / mm s
18
2 -1
4
Mi ebben a kémia? / módszerek
Neutrondiffrakció:
a neutronok, amellett hogy a röntgensugárzáshoz hasonlóan szóródnak az atomokon, kölcsönhatnak az anyag mágnesességével is, kiegészítve a szerkezeti információt
SQUID:
19
szupravezető alapú mágnesezettség-mérő
Mi ebben a kémia? / mágnesek
vas vegyületei (pl. magnetit)
egyéb átmenetifémötvözetek és vegyületek (pl. Al-Ni-Co)
ritkaföldfém- ötvözetek és vegyületek (pl. Nd-Fe-B, Sm-Co) 20
Mi ebben a kémia? / mágnesek Föld
0,00003-0,00006 T
Rúdmágnes
0,01 T
Ritkaföldfém mágnes
21
0,5-1 T
Nagy elektromágnes
1,5 T
Szupravezető mágnes
néhány 10 T
Mi ebben a kémia? / mágnesek
22
Mi ebben a kémia? / anyagok
Mágneses viselkedések:
23
diamágnes paramágnes ferromágnes antiferromágnes ferrimágnes spinüveg stb.
Mi ebben a kémia? / anyagok
Spintronika: spin transzport elektronika
mágneses ellenállás: vékonyrétegek, kémiailag módosított oxidok
híg mágneses félvezetők: kis átmenetifém-tartalmú félvezetők pl. Co0.05Zn0.95O2
multiferroikus anyagok: ferroelektromos + ferromágneses pl. BiFeO3
24
Mi ebben a kémia? / MR anyagok Spincsap típusú GMR
25
Mi ebben a kémia? / MR anyagok
Különleges vékonyrétegek előállítása
26
epitaxiális kristálynövesztés: gázfázisból, a szubsztrát felületének megfelelő kristályszerkezettel való leválasztás akár néhény atomréteg vastagságban
Mi ebben a kémia? / MR anyagok A La1-xSrxCoO3 fázisdiagramja
27
Mi ebben a kémia? / MR anyagok A La1-xSrxCoO3 mágneses ellenállása
28
Mi ebben a kémia? / MR anyagok
29
Mi ebben a kémia? / híg mágnesek SnO2 Sn0.98Mn0.02O2 vékonyrétegek mágnesezettsége
30
Mi ebben a kémia? / híg mágnesek ZnO vékonyrétegek 5% Co-tal és különböző mértékű Al-mal
31
Mi ebben a kémia? / multiferroikumok
32
Mi ebben a kémia? / multiferroikumok BiFeO3 vékonyréteg
33
Mi ebben a kémia? / multiferroikumok A Bi1-xCaxFeO3 vékonyrétegek fázisdiagramja
34
Fejlődés a kémiával
IBM RAMAC 1956 5 MB, $160 000 mai áron 35
Samsung mobil merevlemez 2011 1 000 000 MB, $120
Fejlődés a kémiával
IBM RAMAC 1956 5 MB, $160 000 mai áron 36
Samsung mobil merevlemez 2011 1 000 000 MB, $120
