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[前瞻、预言、猜想] 产生新型磁性材料的可能元素

   网传高斯（Carl Friedrich Gauss）说：

   “我已经有了结果，但还不知道怎么得到它。I have had my results for a long time: but I do not yet know how I am to arrive at them.”

图1  高斯 Carl Friedrich Gauss, painted by Gottlieb Biermann (1887). Reproduction by the author from a calendar dated June 1939; this is the first known colour print of a portrait of Gauss.

https://hgss.copernicus.org/articles/11/199/2020/#&gid=1&pid=1

https://hgss.copernicus.org/articles/11/199/2020/hgss-11-199-2020-f01-web.jpg

   高斯会猜，傻可不会。

一、休厄尔（William Whewell）

   若无某种大胆放肆的猜测，一般是作不出知识的进展的。

图2  贝弗里奇著；陈捷 译 1979，科学研究的艺术，第 153 页截图

二、产生新型磁性材料的可能元素

   不久之前，化学元素钌（Ru，ruthenium）已经被确认室温下具有独特磁性的第四个单一元素^[1,2]。铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni），是三种已知的在室温下具有磁性的元素。以前发现稀土元素钆（Gd）几乎在8摄氏度以下也有磁性。

   前些年有报道称^[3]：向二维合金中添加铼（Re），发现意料之外的磁性特征。大部分情况下，铼元素并不是磁性材料，在原子尺度上的某些特定组合下，它也能具有磁性。

   由于电子、质子、中子都具有磁性，所以几乎所有的原子、分子等也具有磁性或瞬时磁性、瞬时电性。当这种微观的磁性、电性以一定的方式大量组织起来时，材料就会表现出宏观的磁性、电性。磁畴^[4,5]，是自然界自身存在的一种这样的集体性现象。但产生宏观永久磁性的方式，应该不止磁畴一种。因此，不难想象，不仅固体可以出现永久磁性，气体、液体、等离子体等，也可以出现宏观的永久磁性。只是在目前的条件下，由于人类没有充分的进行原子、分子水平的集体操作控制能力，所以只有少量的材料，才能表现出宏观永久磁性。铁、钴、镍等固体材料，是在目前条件下进行少量的人工操作控制就能显出宏观永久磁性的材料。

   通过微观操作，如比纳米还细微的操作，完全有可能使得越来越多的材料出现宏观磁性。操作控制的核心：使原子、分子自身具有的磁性，得到大量的集体性的统一。只要能够维持这种操作控制，固体、气体、液体、等离子体等，都可能表现出宏观的永久磁性。

   在目前的科技条件下，固体的这种操作最容易实现。所以，除了单一元素的磁性外，借助微观操作，可以使铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、钌（Ru）、铼（Re）以外的材料出现宏观磁性。

   历史上，金属硫化物（黄铁矿 Fe₂S、方铅矿 PbS）以及红锌矿 ZnMnO₄ 被发现与“探针接触时”具有单向导电性，所以人类进行了从真空管向固体器件的探索。半导体器件，是后来被实证的新型固体电子器件。晶体管、集成电路，是信息革命的技术基础。当初在寻找半导体材料时，化学元素周期表上位于“金属-非金属”交界处的元素，如锗、硅、硒、砷等，都被证实是合适的半导体材料。此外，还有金属氧化物和金属硫化物也被证实为半导体材料。

图3  化学元素周期表，半导体

   联想起半导体固体电子器件的发展历史，不难猜想，下表的紫色、粉红色元素（在铁、钴、镍、钌周围的元素），是易于被人工操作控制出现宏观永久磁性的材料。一般地，原子量越大，金属往往越活泼。所以，铁、钴、镍下方原子量偏小的元素，是首先考虑的新型磁性材料候选元素：但既要保持类似铁、钴、镍的原子结构，又要适度降低原子量以降低活泼性（以便人工操作控制的简单性）。

图4  化学元素周期表，磁性材料

   除了单一元素外，通过化合物、纳米或更细微的操作控制，都可能使得许多材料产生宏观永久磁性。这些紫色、粉红色元素，以一定的方式掺杂到塑料、陶瓷、合金等固体材料里，有可能首先找到新型的磁性材料。

   新型的线性磁性材料（磁化曲线具有很宽的线性区），且具有高绝缘性（非导体），重量轻等特征的磁体，对于电力、信息等工业，具有重要的价值。无论是软磁、硬磁或矩磁新型材料。

   导电塑料已经获得2000诺贝尔化学奖（"for the discovery and development of conductive polymers"）^[6]。因此在研制新型磁性塑料，是很有前景的。非导电的塑料，具有绝缘性好、重量轻等特点。

   随便地，类似的人工操作控制，还可以是许多材料出现宏观电性，类似晶体的压电效应（Piezoelectricity）^[7,8]。

三、马洛夫（Малов）1952年《电工学与无线电工学教程》

图5  尼.尼.马洛夫著. 电工学与无线电工学教程[M]. 1959 第 110 页截图

图6  尼.尼.马洛夫著. 电工学与无线电工学教程[M]. 1959 第 112 页截图

   既然半导体可以是气态、液态、固态，那么磁性材料也可以是气态、液态、固态、等离子态。例如，中子星的磁场就不弱。类似化合物半导体材料，通过两种以上材料之间的相互作用，也有可能产生磁性材料。不仅是金属，也可能是塑料、玻璃、陶瓷等。

参考资料：

[1] Mangalorean.com, 2018-05-27, Scientists identify new magnetic element

http://www.mangalorean.com/scientists-identify-new-magnetic-element/

[2] 新材料在线，2018-05-29，Nature子刊：研究发现钌在室温下具有独特的铁磁性

http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=191036

[3] ScienceDaily, 2017-10-11, Ultraflat magnets: Atom-thick alloys with unanticipated magnetic properties

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171011144822.htm

[4]磁畴，百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E7%A3%81%E7%95%B4

[5] Magnetic domain, From Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_domain

[6] The Nobel Prize in Chemistry 2000

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/

[7] 压电效应，百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E5%8E%8B%E7%94%B5%E6%95%88%E5%BA%94

[8] Piezoelectricity, From Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity

[9] （苏）尼·尼·马洛夫（Н. Н. Малов）著；王世模译. 电工学与无线电工学教程（Курсэлеκтpо-техникиирадиотехники）[M]. 北京：高等教育出版社，1959-12.

[10] 中科院物理所，2019-09-10，从“隐士”到“明星”，锗元素的逆袭

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1644253147126607366&wfr=spider&for=pc

[11] 中国冶金百科全书总编辑委员会《选矿》卷编辑委员会 冶金工业出版社《中国冶金百科全书》编辑部编. 中国冶金百科全书 选矿[M]. 2000 

   第 67 页：最新发展的聚马来酸酐，同时兼有晶格畸变和阀值效应（即具有单向导电性）两种作用，还有分散磷酸钙微晶的效能，

[12] 2022-12-23，磁畴/magnetic domain/杨金波，中国大百科全书，第三版网络版[ED/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=146904&Type=bkzyb&SubID=105186

   铁磁性或者亚铁磁性材料中磁化强度（磁矩）方向相同的微小区域。

[13] 2022-01-20，表界面效应/surface and interface effect/赵亚溥，中国大百科全书，第三版网络版[ED/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=58347&Type=bkzyb&SubID=64071

   由于表界面附近分子结构的扭曲而形成的效应。效应包括两部分：独立于材料变形的表界面残余应力和表界面弹性，后者又称表界面应力。

   在微纳米尺度必须考虑重要的分子间力 (如范德瓦耳斯力、卡西米尔力、水合力、分离压力等)、表面能以及表面弛豫和表面重构等效应对连续介质力学模型的修正，并与比表面积有关。

[14] 2022-11-17，零点能/zero-point energy/杨勇 姚裕贵 阎冰，中国大百科全书，第三版网络版[ED/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=132169&Type=bkzyb&SubID=105144

   倘若把其中的一些频率排除在外，就会有可观测的量子效应，如著名的卡西米尔效应——真空中两块平行的金属板之间存在着额外的吸引力。

[15] 2023-03-03，摩擦能量耗散/energy dissipation in friction/马天宝，中国大百科全书，第三版网络版[ED/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=575771&Type=bkzyb&SubID=230739

   镜像电荷效应和电场涨落引起长程范德华力和卡西米尔力，其激发的电子耗散会造成非接触条件下的摩擦力。

[16] 2022-12-23，纳尺度失效/failure at nanoscale/郭万林，中国大百科全书，第三版网络版[ED/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=573467&Type=bkzyb&SubID=230725

   在纳尺度，相互运动的机械表面间因静电力、卡西米尔力、范德华力相互作用等会发生黏附而致失效。

   卡西米尔力是不带电平行导体平板间的相互作用，其作用范围可达微米尺度，在亚微米尺度成为不带电平板间主导相互作用，一般为相互吸引力，对微纳机电系统黏附失效十分重要。在更小尺度范围，原子间的范德华相互作用变得突出。不像静电力和卡西米尔力，范德华力相互作用在平衡距离（在亚纳米尺度）之外表现为吸引力，之内为斥力，是非成键原子间重要的长程相互作用。

[17] 2022-12-21，大自然中的“最小作用量”/陈李斌、尚德彬，中国大百科全书，第三版网络版[ED/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=487980&Type=bkdzb&SubID=743

   这些非经典力是在宏观尺度上被忽略掉的，但是到了微纳米尺度，随着物体的表面积与体积之比的增大，这些力的影响越来越大。在微纳米尺度下，液体的表面张力、静电力、范德华力、卡西米尔力等往往会引起微器件的失效、破坏。研究这些“非经典力”的法宝仍然还是最小作用量原理。现在由最小作用量原理推导出来的破坏失效准则已经是微机电系统（MEMS）、微纳米仿生领域重要的设计依据。由此可见，最小作用量原理扩大了传统力学的研究范畴，也拓宽了人们认识自然的视野。

[18] 威廉·伊恩·比德莫尔·贝弗里奇（William Ian Beardmore Beveridge），《科学研究的艺术 The art of scientific investigation》，1957.

   第 153 页（科学出版社，1979）

   牛顿：

   没有大胆的猜测就作不出伟大的发现。

   休厄尔（William Whewell）：

   若无某种大胆放肆的猜测，一般是作不出知识的进展的。

   高斯：

   我有了结果，但还不知道该怎样去得到它。

相关链接：

[1] 2021-05-15，《科学》杂志的两个 125个科学问题（2005，2021）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1286678.html

[2] 2022-07-25，[自己提出问题，提问] 与大数据与机器学习、数据挖掘等“数据科学”有关的一些问题

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1348710.html

[3] 2022-08-10，[第125.5个问题，大问题] 人类能源利用中降低“全球变暖”的方法有哪些？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1350689.html

[4] 2020-06-10，“任鸿隽、吴树青、钱学森、徐匡迪”之问

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1237264.html

[5] 2020-11-16，[求证] 牛顿“没有大胆猜测，就没有重大发现”的出处（附录：爱因斯坦谈想象力）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1258598.html

[6] 2020-03-20，破除论文“SCI至上”：弗拉基米尔·阿诺德1995年的几句话

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1224424.html

   The Russian attitude toward knowledge, science, and mathematics always conforms to the old traditions of the Russian intelligentsiya. This word does not exist in other languages, since no other country has a similar caste of scholars, medical doctors, artists, teachers, etc., who find more reward from their contributions to society than from personal or monetary gains.

   俄罗斯人对知识、科学和数学的态度一直保持着俄语“Intelligentsiya”的古老传统。这个词是其他语言中没有的，因为没有其他国家有一个类似的由学者、医生、艺术家、教师等组成的阶层，他们永远把为社会作贡献为先，个人名利在后。

[7] 2022-03-03，[求助] 普朗克 Planck “取决于人类认识能力的局限性”的出处

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1327900.html

   1933年2月17日，普朗克在柏林为德国工程师协会所做演讲中说：

   “科学是内在的整体，它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理到化学，从生物学和人类学到社会学的连续的链条，这是任何一处都不能被打断的链条。

   Denn die Wissenschaft bildet nun einmal sachlish genormmen eine innerkich geschlossene Einheit. Ihre Trennung nach verschiedenen Fächern ist ja nicht der Natur der Sache Begründet, sondern entspingt nur der Begrenztheit des menschlishen Fassungs, vermögens, welche zwangsläufig zu einer Arbeitsheilung führt. In der Tat zieht sich ein kontinuierliches Band von der Physik und Chemie über die Biologie und Anthropologie bis zu den sozialen und Geisteswissenschaften, ein Band, das sich an keiner Stelle ohne Willkür durchschneiden läßt.”

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