Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha llenado un vacío de conocimiento sobre el movimiento del calor a escala atómica. Este nuevo conocimiento es prometedor para ampliar los materiales con el fin de avanzar en una tecnología emergente llamada enfriamiento de estado sólido.
Una innovación respetuosa con el medio ambiente, la refrigeración de estado sólido puede enfriar eficazmente muchas cosas en la vida cotidiana, desde alimentos hasta vehículos y productos electrónicos, sin los líquidos y gases refrigerantes tradicionales ni las piezas móviles. El sistema funcionará a través de un sistema silencioso, compacto y liviano que permite un control preciso de la temperatura.
Aunque el descubrimiento de mejores materiales y la invención de equipos de mayor calidad ya están ayudando a promover el desarrollo de nuevos métodos de enfriamiento, es esencial una comprensión más profunda de la mejora de los materiales. El equipo de investigación utilizó un conjunto de instrumentos de dispersión de neutrones para examinar a escala atómica un material que los científicos creen que es un excelente candidato para su uso en el enfriamiento de estado sólido.
El material, una aleación magnética con memoria de forma de níquel-cobalto-manganeso-indio, se puede deformar y luego devolver a su forma original aumentando la temperatura o aplicando un campo magnético para impulsarlo a través de una transición de fase. Cuando se somete a un campo magnético, el material sufre una transición de fase magnética y estructural, durante la cual absorbe y libera calor, comportamiento conocido como efecto magnetocrórico. En aplicaciones de refrigeración de estado sólido, el efecto se utiliza para proporcionar refrigeración. Una característica importante del material son sus estados casi desordenados conocidos como estados de vidrio ferroico, ya que ofrecen una forma de aumentar la capacidad del material para almacenar y liberar calor.
Los magnones, también conocidos como ondas de espín, y los fonones, o vibraciones, se acoplan en una danza sincronizada con las pequeñas regiones distribuidas en la disposición aleatoria de los átomos que componen el material. Los investigadores descubrieron que los patrones de comportamiento en estas pequeñas regiones, llamados modos híbridos magnón-fonón localizados en los detalles de la investigación en el artículo del equipo, tienen implicaciones importantes para las propiedades térmicas del material.
Los científicos descubrieron que los modos hacen que los fonones cambien o cambien significativamente en presencia de un campo magnético. Los modos también cambian la estabilidad de fase del material. Estos cambios pueden dar lugar a cambios fundamentales en las propiedades y el comportamiento de los materiales que pueden ajustarse y optimizarse.
“La dispersión de neutrones muestra que el potencial de enfriamiento de los compuestos magnéticos con memoria de forma triplica el calor contenido en estos modos híbridos locales magnón-fonón que se forman debido al desorden en el sistema”, dijo Michael Manley, líder del estudio de ORNL. . “Este hallazgo señala el camino hacia mejores materiales para aplicaciones de refrigeración de estado sólido para las necesidades de la sociedad”.
Los compuestos con memoria de forma magnética que el equipo estudió se encuentran en una fase que ha desarrollado estados casi aleatorios conocidos como vidrio hilado y vidrio tenso: el vidrio familiar utilizado en ventanas y otros lugares. No, pero sí fases no convencionales de la materia que carecen de orden. Los momentos magnéticos asociados con los átomos en la fase de vidrio de espín, o pequeños imanes, están orientados aleatoriamente en lugar de apuntar en la misma dirección. En comparación, en la fase de vidrio tenso, la red de átomos se estira hasta formar un patrón desordenado e irregular en la escala nanométrica. El vidrio giratorio y el vidrio extensible se denominan estados frustrados en un material porque surgen de interacciones competitivas o restricciones que impiden que el material alcance un estado ordenado estable.
A medida que el material se acerca a este estado disecado, la cantidad de calor almacenado aumenta, dijo Manley. “Las interacciones de largo y corto alcance aparecen como vibraciones localizadas y ondas de espín, lo que significa que quedan atrapadas en regiones pequeñas. Esto es importante porque estos estados vibratorios extra localizados almacenan calor. Un cambio en el campo magnético desencadena otra transición de fase en la que Este calor continúa”.
Controlar las propiedades de una aleación magnética con memoria de forma para que pueda usarse como esponja térmica podría ser una forma de lograr un enfriamiento eficiente sin la necesidad de refrigerantes convencionales o componentes mecánicos.
El estudio fue apoyado por la División de Ingeniería y Ciencias de Materiales de la Oficina de Ciencias del DOE. Una parte del trabajo de dispersión de neutrones para esta investigación se realizó en el reactor de isótopos de alto flujo y la fuente de neutrones de espalación, en las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. El Departamento de Comercio del Instituto Nacional de Normas y Tecnología también proporcionó instalaciones de investigación de neutrones.
