В НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Аркадия Жукова идёт разработка технологий массового получения бездефектных аморфных магнитных материалов на основе железа и кобальта для микродатчиков магнитного поля с возможностью применения для навигации в отсутствии GPS и в медицине. Группа ученых уже получила первые образцы уникального материала, который может применяться для датчиков измерения магнитного поля с рекордной чувствительностью, миниатюрным размером и расширенными функциональными возможностями. Стоимость таких датчиков будет в десятки раз ниже современных аналогов.

На сегодняшний день самым эффективным и дорогим прибором для измерения магнитного поля является СКВИД магнитометр, обладающий рекордной чувствительностью, достигающей 1 пТ (10–8 Гс, примерно в 20 000 000 слабее земного поля 5·10−33 Дж/Гц). Он используется для измерения еле заметных магнитных полей. На его исключительно высокую чувствительность к магнитному потоку опирается практически весь спектр медицинских и технических исследований. Однако специалисты столкнулись с тем, что данный прибор невозможно применять в ряде случаев из-за его дороговизны и большого размера. Другими традиционными приборами для измерения магнитных полей являются феррозонды, однако и их размеры достаточно велики (отдельные модели – до 30 см).

Этим, а также поиском простого, не требующего дорогостоящей техники, способа изготовления, обусловлен растущий интерес к микропроводам.

На базе МИСиС были проведены исследования особенностей формирования магнитных свойств и усовершенствованы технологии, позволяющие исследовать природу исходных материалов, наметить пути снижения дефектности микропровода или уменьшить ее влияние на магнитные свойства.

Полученный материал представляет собой тонкий магнитный микропровод, заключенный в стеклянную оболочку, диаметр которого составляет примерно 25 микрометров, что на порядок тоньше человеческого волоса. Импеданс (электросопротивление в переменном токе) магнито-мягкого микропровода изменяется в 500–1000 раз при приложении слабого магнитного поля. Подобный эффект был открыт несколько лет назад в Японии в традиционных магнитных материалах профессором Паниной, продолжившей свою научную карьеру в НИТУ «МИСиС». Это дает возможности применения данного материала в магнитных датчиках. Такой датчик способен определять величину и направление магнитного поля в любой точке. В частности, он может при отсутствии сигнала заменить GPS, позволяя ориентироваться в пространстве по магнитному полю Земли. При этом магнитное поле измеряется по изменению магнито-импеданса. Физическая природа этого эффекта связана с так называемым скин-эффектом магнитного проводника: когда через образец пропускается высокочастотный ток, который концентрируется на поверхности образца, глубина проникновения тока зависит не только от частоты тока, но и от магнитной проницаемости образца.

«Наша разработка представляет собой совершенно новый эффект: более миниатюрная, менее дорогая и более чувствительная по сравнению с традиционно используемыми магнитометрами. Результаты исследований дали возможность получать материалы с заранее прогнозируемыми свойствами и управлять ими, что позволяет значительно ускорить технологический процесс. Они уже нашли свое применение в ряде мобильных устройств (с 2010 года ряд компаний, выпускающих сотовые телефоны, уже используют эту технологию в своих устройствах, как для игр, так и для навигации), био- и медицинской технике, а также автомобильной и авиационной промышленности», – отметил Аркадий Жуков.

Уникальный магнитный материал применяется для обеспечения электромагнитной безопасности в новых электромобилях. Как известно, в отсутствии двигателей внутреннего сгорания все механизмы приводятся в действие за счет электрического тока, что создает повышенный фон магнитных полей. С помощью датчика из микропровода, разработанного профессором С. Гудошниковым, который также недавно начал сотрудничество с МИСиС, в рамках европейского проекта проведена проверка магнитных полей электромобиля автоконцерна «FIAT» в Европе. Исследованный электромобиль предназначен для развоза почты и в будущем может быть оснащен датчиком из разработанного материала, позволяющим обеспечить его электромагнитную безопасность. Данный прибор позволит ориентироваться в подземных туннелях и других местах, где недоступны сигналы спутника. Кроме того миниатюрность датчика предполагает его применение и в медицине. Уже продемонстрировано, что такой датчик позволяет измерять электрокардиограммы и магнитное поле мозга.

Магнитный микропровод с гигантским магнитоимпедансом, как материал для магнитных датчиков, уже запатентован Аркадием Жуковым в ряде международных патентов.

В Испании уже запатентованы прототипы магнитных меток для магазинов на основе этого материала. Суть его заключается в том, что на все продукты клеится этикетка, в которую вместо штрихкода встроен магнитный код – несколько проводов с разными свойствами, которые позволяют проводить идентификацию объектов. Например, считывать покупки в супермаркете, не обременяя стоянием в очередях. Этот метод также рассматривался к применению американской компанией «Avery Dennison», мировым производителем этикеток, при разработке меток для багажа. В процессе прохождения КПП в аэропортах будет считываться магнитный код, и багаж сможет автоматически распределяться по пунктам назначения.

Комбинируя химический состав, параметры процесса получения и методы термообработки, профессор Жуков выявил возможность управлять магнитными свойствами микропровода. В процессе были найдены новые составы для получения аморфного магнитно-мягкого микропровода и предложены оригинальные схемы датчиков с различными свойствами.

Аркадий Жуков – приглашенный в университет «МИСиС» ученый, профессор Университета страны Басков (Испания), доктор физико-математических наук, основатель компании «TAMAG», автор более 400 научных статей в журналах, 7 патентов, более 300 докладов на международных конференциях. Индекс Хирша – 32. Область интересов – магнитные материалы, аморфные и нанокристаллические магнитные материалы, магнитные сенсоры.

По результатам исследований в 2014 году командой опубликован ряд статей в ведущих специализированных журналах: