MnBi – สารแม่เหล็กที่ปราศจากธาตุหายากสำหรับการพัฒนาแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพ

ทีมนักวิจัยสาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี ร่วมกับนักวิจัยไทยและต่างประเทศ ได้พัฒนาเทคนิคการสังเคราะห์สารแม่เหล็กที่ปราศจากธาตุหายากและได้ศึกษาเสถียรภาพสารที่พัฒนาขึ้น เพื่อประยุกต์ใช้ในการผลิตแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูง ซึ่งเป็นชิ้นส่วนสำคัญในการเปลี่ยนรูปแบบพลังงานระหว่างพลังงานกลและพลังงานไฟฟ้า

คณะวิจัยได้พัฒนาเทคนิคการสังเคราะห์สารแม่เหล็กที่ปราศจากธาตุหายาก และประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์สารประกอบแมงกานีสบิสมัทสถานะอุณหภูมิต่ำ (low-temperature phase MnBi, LTP-MnBi) โดยการเผาผนึกในสุญญากาศ สารแม่เหล็ก MnBi ที่สังเคราะห์ได้มีค่าสนามลบล้าง (coercivity) ค่อนข้างสูงถึง 5 kOe โดยเทคนิคนี้สามารถที่จะถูกพัฒนาให้เหมาะสมกับการผลิตสารในปริมาณมากได้ คณะวิจัยได้ทดลองหาช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการเผาผนึก พบว่าอุณหภูมินั้นควรมีค่าที่ต่ำเพียงเล็กน้อยจากอุณหภูมิที่จะมีการเปลี่ยนโครงสร้างผลึกของ MnBi จากสถานะอุณหภูมิต่ำเป็นสถานะอุณหภูมิสูง (ต่ำกว่า 340 ºC) และพบว่ากลไกหลักของการเกิดชั้นสารประกอบ MnBi นี้ถูกกำหนดโดยการแพร่ของอะตอมบิสมัทและแมงกานีสผ่านชั้น MnBi ที่กำลังขยายความหนาในขณะที่มีการเผาผนึก ได้มีการคำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์ของการแพร่จากผลการทดลอง พบว่าค่าสัมประสิทธิ์ของการแพร่สำหรับช่วงอุณหภูมิ 272 – 340 ºC เป็นไปตามสมการ Arrhenius นอกจากนั้นได้มีการศึกษาความเสถียรทางแม่เหล็กซึ่งเป็นเป็นสิ่งสำคัญต้องพิจารณาเมื่อนำแม่เหล็กถาวรชนิดใหม่เข้าสู่การประยุกต์ใช้จริง โดยได้ติดตามการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้องเป็นระยะเวลา 18 เดือนในตัวอย่าง MnBi ที่มีการจัดเก็บที่แตกต่างกันคือ 1) ปล่อยให้สารอยู่ในรูปผงและสัมผัสกับอากาศปกติ และ 2) มีการอัดสารให้อยู่ในหลอดที่ปิดมิดชิด พบว่าสารที่จัดเก็บทั้งสองรูปแบบแสดงค่าการเพิ่มขึ้นของค่าผลคูณพลังสูง (energy product) ถึง 60% และเมื่อศึกษาอย่างละเอียดพบถึงความแตกต่างของการเปลี่ยนแปลงสมบัติแม่เหล็กของสารที่มีการจัดเก็บที่แตกต่างกัน คณะวิจัยได้แสดงผลการคำนวณจากสมการของการแพร่ที่อุณหภูมิห้องให้เชื่อได้ว่าการเพิ่มขึ้นของค่าผลคูณพลังงานเกิดจากการที่ปริมาณของสารแม่เหล็ก MnBi มีค่าเพิ่มมากขึ้นตามเวลาอันเนื่องจากการที่มีการแพร่ผ่านชั้นของ MnBi ของอะตอม Mn และ Bi

งานวิจัยนี้จึงสอดคล้องกับ SDG 7: Affordable and Clean Energy ที่มุ่งเน้นการสร้างหลักประกันว่าทุกคน
เข้าถึงพลังงานสะอาดสมัยใหม่ที่เชื่อถือได้และยั่งยืนในราคาย่อมเยา

การอ้างอิงของงานวิจัย

• Borsup, S. Ngamsomrit, T. Eknapakul, T. Saisopa, I. Fongkaew, P. Kidkhunthod, S. Pinitsoontorn, F. Chen, P. Songsiriritthigul, Characterization of long-term magnetic stability in sintered MnBi: Influence of exposing time and storage conditions, Journal of Alloys and Compounds 968 (2023) 171884.
• J. Borsup, T. Eknapakul, H.T. Myint, M.F. Smith, V. Yordsri, S. Pinitsoontorn, C. Thanachayanont, T.Z. Oo, P. Songsiriritthigul, Formation and magnetic properties of low-temperature phase manganese bismuth prepared by low-temperature liquid phase sintering in vacuum, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 544 (2022) 168661

งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร

• Journal of Alloys and Compounds (Q1 ISI/Scopus, Impact Factor 5.9) เดือน August 2023
• Journal of Magnetism and Magnetic Materials (Q2 ISI/Scopus, Impact Factor 2.9) เดือน October 2021

ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่

• https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168661
• https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171884

รายชื่อนักวิจัย

คณะวิจัยห้องปฏิบัติการนาโนสเปกโตรสโกปี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี (มทส) นำโดย รศ.ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล โดยงานวิจัยเป็นส่วนหนึ่งของวิทยานิพนธ์ของนักศึกษาระดับปริญญาเอกคือ ดร.จงรัก บ่อทรัพย์ และ ดร.เสถียรพงษ์ งามสมฤทธิ์ และเป็นส่วนหนึ่งของโครงการค้นคว้าอิสระระดับปริญญาตรีของนักศึกษาจากประเทศเมียนมาร์ Ms. Hsu Thazin Myint ภายใต้ความร่วมมือกับ Prof. Than Zaw Oo (Mandalay University, Myanmar) และ Prof. Fuming CHEN (South China Normal University, China) และในขณะเดียวกันมีนักวิจัยหลังปริญญาเอกสองคนที่ต่อมาได้เข้าปฏิบัติงานที่คณะวิทยาศาสตร์และศิลปะศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน (ดร.ธนิษฐ์ สายโสภา) และปฏิบัติงานภายใต้โครงการวิจัยของสถาบันวิทยสิริเมธี (ดร.ธนชาติ เอกนภากุล) และทั้งสองยังคงสานต่อความร่วมมือในงานเดิม การศึกษาสมบัติทางแม่เหล็กโดยเทคนิค VSM ได้รับการสนับสนุนโดย ศ.ดร.สุปรีดิ์ พินิจสุนทร (ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น) ส่วนงานตรวจวิเคราะร์ระดับจุลภาคโดยอาศัยเทคนิคไมโครสโกปีของอิเล็กตรอนโดยผ่านความร่วมมือกับ ดร.ชัญชนา ธนชยานนท์ และนายวิศิษฏพงศ์ ยอดศรี (ศูนย์โลหะแห่งชาติ สวทช) การวัดโดยเทคนิค XAS ดำเนินการที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) โดยมี ดร.พินิจ กิจขุนทด ให้การสนับสนุน ส่วนงานด้านทฤษฎีคำนวณรวมทั้งการอธิบายผลเป็นความร่วมมือกับ ผศ.ดร.อิทธิพล ฟองแก้ว (สาขาวิชาฟิสิกส์ มทส) และ Asst. Prof. Dr. Micheal F. Smith (สาขาวิชาฟิสิกส์ มทส)