Phát minh mới của Mỹ có thể làm thay đổi ngành năng lượng và xe điện: Không cần đất hiếm vẫn tạo ra được nam châm vĩnh cửu, giảm phụ thuộc chuỗi cung ứng

Nam châm vĩnh cửu là thành phần thiết yếu trong đời sống hiện đại, từ lưu trữ dữ liệu, vận hành xe điện (EV) đến các thiết bị chẩn đoán y tế chất lượng cao. Hiện nay, các loại nam châm vĩnh cửu hiệu năng cao thường được chế tạo từ các nguyên tố đất hiếm, đóng vai trò quan trọng trong cả lĩnh vực quốc phòng lẫn sản xuất năng lượng.

Tuy nhiên, việc phụ thuộc vào nguồn cung tinh chế từ nước ngoài đã đặt nước Mỹ trước những thách thức lớn về chi phí cũng như rủi ro an ninh chuỗi cung ứng.

Để giải quyết bài toán này, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames đã được giao nhiệm vụ phát triển các loại nam châm vĩnh cửu mới mà không cần sử dụng đến các nguyên tố đất hiếm.

Nhóm nghiên cứu do nhà khoa học Prashant Singh dẫn đầu đã phát triển một quy trình hệ thống để khám phá các vật liệu mới. Phương pháp này kết hợp các mô hình dựa trên vật lý, mô phỏng tốc độ cao với các công cụ trí tuệ nhân tạo (AI) dựa trên suy luận.

Nhờ đó, các nhà khoa học có thể hướng dẫn quá trình khám phá ngay cả trước khi vật liệu thực sự được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Để đảm bảo mô hình AI hoạt động hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã chú trọng huấn luyện hệ thống trên dữ liệu các thuộc tính vật liệu đã được đo lường thực nghiệm và tính toán khoa học chính xác, thay vì chỉ sử dụng dữ liệu tổng quát.

Theo ông Prashant Singh, việc thấu hiểu các nguyên lý vật lý chi phối đặc tính vật liệu là yêu cầu cốt lõi khi thiết kế vật liệu mới. Nếu chỉ dựa vào dữ liệu huấn luyện thông thường, mô hình sẽ chỉ đưa ra các dự đoán trong phạm vi thông tin đã biết.

Ngược lại, khi hiểu rõ các quy luật vật lý, các công cụ trí tuệ nhân tạo có thể tìm kiếm và phát hiện tiềm năng trong không gian vật chất rộng lớn hơn nhiều. Lợi thế của phương pháp này là khả năng sử dụng cấu trúc nguyên tử và hành vi điện tử để xác định đặc tính vật liệu.

Các thông số then chốt như độ mạnh từ hóa, khả năng chống khử từ, dung lượng lưu trữ năng lượng và hành vi của nam châm ở nhiệt độ cao đều được tính toán thông qua mô hình AI, giúp sàng lọc các ứng cử viên vật liệu triển vọng nhất trước khi tiến hành các thí nghiệm vật lý tốn kém.

Phòng thí nghiệm Ames đã tận dụng chuyên môn sâu rộng và bề dày kinh nghiệm trong lĩnh vực từ trường để xây dựng các công cụ lý thuyết và phân tích mạnh mẽ.

Hiện nay, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào quy trình này không chỉ giúp đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu mà còn mở rộng phạm vi tìm kiếm vật liệu. Đặc biệt, các công cụ AI còn được lập trình để cân nhắc tính sẵn có và chi phí của nguyên liệu. Điều này đảm bảo rằng các vật liệu được phát triển không chỉ tối ưu về mặt hiệu suất mà còn có khả năng sản xuất với quy mô lớn và phù hợp với thực tế kinh tế.

Thông qua việc kết hợp công nghệ hiện đại với sự hiểu biết sâu sắc về vật lý, các nhà nghiên cứu tại Ames đã giải quyết toàn diện quy trình từ giai đoạn khám phá cơ bản đến khi sản phẩm sẵn sàng đưa vào sản xuất công nghiệp.

Những nỗ lực này đóng vai trò quan trọng trong chiến lược của Mỹ nhằm giảm bớt sự phụ thuộc vào các quốc gia khác đối với những linh kiện công nghệ quan trọng, đồng thời tạo ra sự chủ động trong chuỗi cung ứng vật liệu tương lai.

Đức Minh