Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha superado una laguna de conocimiento sobre el movimiento del calor a escala atómica. Este nuevo conocimiento promete mejorar los materiales para avanzar en una nueva tecnología 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 refrigerantes, gases ni piezas móviles tradicionales. El sistema funcionaría mediante un sistema silencioso, compacto y liviano que proporciona un control preciso de la temperatura.
Aunque el descubrimiento de materiales mejorados y la invención de dispositivos de mayor calidad ya están ayudando a avanzar en el desarrollo del nuevo método de enfriamiento, es esencial una comprensión más profunda de las mejoras 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 candidato óptimo para su uso en el enfriamiento de estado sólido.
El material, una aleación magnética con memoria de forma de níquel-cobalto-manganeso-indio, puede deformarse y luego devolverse a su forma original haciéndolo pasar por una transición de fase, aumentando la temperatura o aplicando un campo magnético. Cuando un material se expone a un campo magnético, sufre una transición de fase magnético-estructural durante la cual absorbe y libera calor, conocido como efecto magnetocalórico. En aplicaciones de refrigeración de estado sólido, el efecto se utiliza para proporcionar refrigeración. Una característica clave del material es su proximidad a estados desordenados conocidos como estados vítreos del hierro, como una forma de mejorar la capacidad del material para almacenar y liberar calor.
Los magnones, también conocidos como ondas de espín, y los fonones, o vibraciones, se conectan en una danza sincronizada en pequeñas regiones distribuidas en la disposición desordenada de los átomos que componen la materia. Los investigadores descubrieron que los patrones de comportamiento en estas pequeñas regiones, llamados modos híbridos magnón-fonón localizados en el artículo del equipo que detalla la investigación, tienen un impacto significativo en las propiedades térmicas del material.
Los científicos descubrieron que los modos hacen que los fonones cambien significativamente debido a la presencia de un campo magnético. Los modos también cambian la estabilidad de fase del material. Estos cambios pueden conducir a cambios significativos en las propiedades y el comportamiento de los materiales que pueden adaptarse y adaptarse.
«La dispersión de neutrones muestra que la capacidad de enfriamiento de la aleación con memoria de forma magnética se triplica por el calor contenido en estos modos híbridos locales magnón-fonón, que se forman debido al desorden en el sistema», dijo el líder del estudio Michael Manley de ORNL. . «Este descubrimiento allana el camino para obtener mejores materiales para aplicaciones de refrigeración de estado sólido para las necesidades de la sociedad».
La aleación magnética con memoria de forma que estudió el equipo se encuentra en una fase en la que casi se forman estados desordenados conocidos como vidrio giratorio y vidrio deformado; no el vidrio familiar utilizado en ventanas y otros lugares, sino fases no convencionales de la materia que carecen de orden. Los momentos magnéticos, o pequeños imanes, asociados con los átomos en la fase de vidrio giratorio están orientados aleatoriamente en lugar de apuntar en una dirección. En comparación, en la fase de vidrio deformado, la red atómica se deforma a escala nanométrica de una manera desordenada e irregular. El vidrio de corte y el vidrio deformado se denominan estados insatisfechos en un material porque ocurren debido a interacciones o restricciones competitivas que impiden que el material alcance un estado ordenado estable.
«A medida que el material se acerca a este estado insatisfecho, la cantidad de calor almacenado aumenta», dijo Manley. «Las interacciones de largo y corto alcance toman la forma de ondas vibratorias y de espín localizadas, lo que significa que quedan atrapadas en regiones pequeñas. Esto es importante porque estos estados vibratorios altamente localizados almacenan calor. El cambio en el campo magnético provoca otra fase transición en la que esto ocurre se libera calor.»
Controlar las funciones de una aleación con memoria de forma magnética para que pueda usarse como esponja térmica podría ser una forma de proporcionar un enfriamiento eficiente de estado sólido sin el uso de refrigerantes tradicionales o componentes mecánicos.
Esta investigación fue apoyada por la División de Ingeniería y Ciencia de Materiales del DOE. Parte del trabajo de dispersión de neutrones para este estudio 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 Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del Departamento de Comercio también proporcionó instalaciones de investigación de neutrones.
