Silne sprzężenie między zlokalizowanymi wibracjami atomowymi a fluktuacjami spinu zwiększa absorpcję i uwalnianie ciepła, pokazane od dołu do góry, w magnetycznym stopie z pamięcią kształtu, poprawiając jego zdolność do chłodzenia w stanie stałym. Źródło: Phoenix Pleasant/ORNL, Departament Energii Stanów Zjednoczonych
Naukowcy poczynili znaczne postępy w zrozumieniu ruchu ciepła w materiałach w skali atomowej, co ma kluczowe znaczenie dla opracowania technologii chłodzenia w stanie stałym.
Technologia ta, która działa bez tradycyjnych czynników chłodniczych i części ruchomych, wykorzystuje materiały takie jak stopy magnetyczne niklowo-kobaltowo-manganowo-indowe z pamięcią kształtu, aby wykorzystać efekt magnetokaloryczny do wydajnego chłodzenia.
Zespół badawczy kierowany przez Narodowe Laboratorium Oak Ridge Departamentu Energii wypełnił niedawno kluczową lukę w wiedzy na temat ruchu ciepła w skali atomowej. To nowe zrozumienie daje nadzieję na udoskonalenie materiałów w celu udoskonalenia powstającej technologii zwanej chłodzeniem półprzewodnikowym.
Postęp w technologii chłodzenia półprzewodnikowego
Przyjazna dla środowiska innowacja, chłodzenie półprzewodnikowe, mogłoby skutecznie chłodzić wiele rzeczy codziennego użytku, od żywności, przez pojazdy, po elektronikę – bez tradycyjnych płynnych i gazowych czynników chłodniczych lub ruchomych części. System miałby działać w oparciu o cichy, kompaktowy i lekki system, który umożliwia precyzyjną kontrolę temperatury.
Chociaż odkrycie ulepszonych materiałów i wynalezienie urządzeń wyższej jakości już pomaga w rozwoju nowej metody chłodzenia, niezbędne jest głębsze zrozumienie ulepszeń materiałów. Zespół badawczy wykorzystał zestaw instrumentów do rozpraszania neutronów, aby zbadać w skali atomowej materiał, który naukowcy uważają za optymalnego kandydata do zastosowania w chłodzeniu ciała stałego.
Badanie efektu magnetokalorycznego w stopach
Materiał to magnetyczna pamięć kształtu niklu, kobaltu, manganu i indu stop, może zostać odkształcony, a następnie przywrócony do pierwotnego kształtu poprzez przeprowadzenie go przez przejście fazowe poprzez zwiększenie temperatury lub przyłożenie pola magnetycznego. Materiał poddany działaniu pola magnetycznego ulega magnetycznej i strukturalnej przemianie fazowej, podczas której pochłania i oddaje ciepło, co jest zjawiskiem znanym jako efekt magnetokaloryczny. W zastosowaniach związanych z chłodzeniem półprzewodnikowym efekt ten jest wykorzystywany do zapewnienia chłodzenia. Kluczową cechą materiału jest jego bliskość do warunków nieuporządkowanych, znanych jako ferroiczne stany szkliste, ponieważ stanowią one sposób na zwiększenie zdolności materiału do magazynowania i uwalniania ciepła.
Magnony, znane również jako fale spinowe i fonony, czyli wibracje, łączą się w zsynchronizowanym tańcu w małych obszarach rozmieszczonych w nieuporządkowanym układzie atomów tworzących materiał. Naukowcy odkryli, że wzorce zachowań w tych małych obszarach, określane w artykule zespołu szczegółowo opisującym badania jako zlokalizowane hybrydowe mody magnonowo-fononowe, mają ważne implikacje dla właściwości termicznych materiału.
Rozpraszanie neutronów pokazuje, że zdolność chłodzenia magnetycznego stopu z pamięcią kształtu jest trzykrotnie zwiększana przez ciepło zawarte w tych lokalnych modach hybrydowych magnonowo-fononowych, które powstają z powodu zaburzeń w układzie. Odkrycie to ujawnia drogę do stworzenia lepszych materiałów do zastosowań w chłodnictwie półprzewodnikowym na potrzeby społeczne.
— Michael Manley, starszy badacz w grupie rozpraszania neutronów i promieni rentgenowskich w ORNL
Innowacyjne właściwości materiału dla lepszego chłodzenia
Naukowcy odkryli, że mody powodują znaczną zmianę lub przesunięcie fononów pod wpływem obecności pola magnetycznego. Mody modyfikują również stabilność fazową materiału. Zmiany te mogą skutkować zasadniczymi zmianami właściwości i zachowania materiału, które można dostroić i dostosować.
„Rozpraszanie neutronów pokazuje, że zdolność chłodzenia magnetycznego stopu z pamięcią kształtu jest trzykrotnie zwiększana przez ciepło zawarte w lokalnych modach hybrydowych magnon-fonon, które powstają w wyniku zaburzeń w systemie” – powiedział Michael Manley z ORNL, kierownik badania . „To odkrycie odkrywa drogę do stworzenia lepszych materiałów do zastosowań w chłodnictwie półprzewodnikowym na potrzeby społeczne”.
Badanie nieuporządkowanych faz materialnych
Magnetyczny stop z pamięcią kształtu, który badał zespół, znajduje się w fazie, która niemal doprowadziła do powstania nieuporządkowanych warunków, znanych jako szkło obrotowe i szkło naprężone – nie jest to zwykłe szkło stosowane w oknach i innych miejscach, ale raczej niekonwencjonalne fazy materii, którym brakuje porządku. Momenty magnetyczne, czyli maleńkie magnesy, związane z atomami w fazie szkła spinowego, są zorientowane losowo, a nie skierowane w tym samym kierunku. Dla porównania, w fazie szkła odkształceniowego sieć atomów jest naprężona w skali nanometrowej w sposób chaotyczny i nieregularny. Szkło wirowe i szkło naprężone określane są jako warunki sfrustrowane w materiale, ponieważ powstają w wyniku konkurencyjnych interakcji lub ograniczeń, które uniemożliwiają materiałowi osiągnięcie stabilnego, uporządkowanego stanu.
Konsekwencje dla magazynowania ciepła i chłodzenia w stanie stałym
„W miarę jak materiał zbliża się do tego stanu frustracji, ilość magazynowanego ciepła wzrasta” – powiedział Manley. „Interakcje dalekiego i krótkiego zasięgu objawiają się lokalnymi wibracjami i falami wirowymi, co oznacza, że zostają uwięzione w małych obszarach. Jest to ważne, ponieważ te dodatkowe zlokalizowane stany wibracyjne magazynują ciepło. Zmiana pola magnetycznego powoduje kolejną przemianę fazową, podczas której uwalniane jest ciepło.”
Kontrolowanie funkcji magnetycznego stopu z pamięcią kształtu, tak aby można go było używać jako gąbki cieplnej, mogłoby być jednym ze sposobów umożliwienia wydajnego chłodzenia w stanie stałym bez konieczności stosowania tradycyjnych czynników chłodniczych lub komponentów mechanicznych.
Odniesienie: „Hybrydowa lokalizacja magnon-fonon poprawia funkcję w pobliżu ferroicznych stanów szklistych” Michaela E. Manleya, Paula J. Stonaha, Nickolausa M. Bruno, Ibrahima Karamana, Raymundo Arroyave, Songxue Chi, Douglasa L. Abernathy’ego, Matthew B. Stone’a, Yuri I. Chumlyakov i Jeffrey W. Lynn, 14 czerwca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adn2840
Badanie to zostało wsparte przez Wydział Nauk o Materiałach i Inżynierii Biura DOE. Część prac związanych z rozpraszaniem neutronów na potrzeby tych badań przeprowadzono w wysokostrumieniowym reaktorze izotopowym i źródle neutronów spallacyjnych, obiektach użytkownika Biura Naukowego DOE w ORNL. Narodowy Instytut Standardów i Technologii Departamentu Handlu zapewnił również zaplecze do badań neutronów.
