צימוד חזק בין רעידות אטומיות מקומיות ותנודות ספין מגביר את הספיגה והשחרור של חום, המוצג מלמטה למעלה, בסגסוגת של זיכרון צורה מגנטי, ומשפר את יכולתו לקירור מצב מוצק. קרדיט: Phoenix Pleasant/ORNL, משרד האנרגיה האמריקאי
חוקרים עשו התקדמות משמעותית בהבנת תנועת חום בקנה מידה אטומי בחומרים, חיונית לפיתוח טכנולוגיית קירור במצב מוצק.
טכנולוגיה זו, הפועלת ללא חומרי קירור מסורתיים או חלקים נעים, משתמשת בחומרים כמו ניקל-קובלט-מנגן-אינדיום סגסוגות צורה מגנטית-זיכרון כדי לנצל את האפקט המגנטו-קלורית לקירור יעיל.
פער ידע מכריע בתנועת חום בקנה מידה אטומי גשר לאחרונה על ידי צוות מחקר בראשות המעבדה הלאומית Oak Ridge של משרד האנרגיה. הבנה חדשה זו טומנת בחובה הבטחה לשיפור חומרים לקידום טכנולוגיה מתפתחת הנקראת קירור מוצק.
התקדמות בטכנולוגיית קירור מוצק
חידוש ידידותי לסביבה, קירור במצב מוצק יכול לצנן ביעילות דברים רבים בחיי היומיום ממזון לרכב ועד אלקטרוניקה – ללא נוזלי קירור וגזים מסורתיים או חלקים נעים. המערכת תפעל באמצעות מערכת שקטה, קומפקטית וקלת משקל המאפשרת בקרת טמפרטורה מדויקת.
למרות שהגילוי של חומרים משופרים והמצאת מכשירים איכותיים יותר כבר עוזרים לקדם את צמיחתה של שיטת הקירור החדשה, הבנה מעמיקה יותר של שיפורי החומר היא חיונית. צוות המחקר השתמש בחבילה של מכשירים לפיזור נויטרונים כדי לבחון בקנה מידה אטומי חומר שמדענים מחשיבים כמועמד אופטימלי לשימוש בקירור מוצק.
חקירת ההשפעה המגנטו-קלורית בסגסוגות
החומר, ניקל-קובלט-מנגן-אינדיום צורה-זיכרון מגנטי סַגסוֹגֶת, ניתן לעוות ולאחר מכן להחזירו לצורתו המקורית על ידי הנעתו דרך מעבר פאזה על ידי הגדלת הטמפרטורה או על ידי הפעלת שדה מגנטי. כאשר הוא נתון לשדה מגנטי, החומר עובר מעבר פאזה מגנטי ומבני, שבמהלכו הוא סופג ומשחרר חום, התנהגות המכונה אפקט מגנטו-קלורית. ביישומי קירור במצב מוצק, האפקט נרתם כדי לספק קירור. מאפיין מרכזי של החומר הוא קרבתו לתנאים לא מסודרים הידועים כמצבי זכוכית פרואיים, מכיוון שהם מציגים דרך לשפר את יכולת החומר לאגור ולשחרר חום.
מגנונים, הידועים גם כגלי ספין, ופונונים, או תנודות, מתחברים בריקוד מסונכרן באזורים קטנים המפוזרים על פני סידור האטומים המעורער המרכיבים את החומר. החוקרים מצאו שלדפוסי התנהגות באזורים קטנים אלה, המכונים מצבי מגנון-פונון היברידי מקומיים במאמר של הצוות המפרט את המחקר, יש השלכות חשובות על התכונות התרמיות של החומר.
פיזור ניוטרונים מראה כי יכולת הקירור של סגסוגת זיכרון הצורה המגנטי משולשת על ידי החום הכלול במצבי מגנון-פונון היברידיים מקומיים אלה שנוצרים בגלל אי סדר במערכת. ממצא זה חושף דרך לייצור חומרים טובים יותר עבור יישומי קירור במצב מוצק לצרכים חברתיים.
– מייקל מנלי, חוקר בכיר בקבוצת פיזור ניוטרונים וקרני רנטגן ב-ORNL
תכונות חומר חדשניות לקירור משופר
המדענים חשפו שהמצבים גורמים לשינוי או שינוי משמעותי של הפונונים על ידי נוכחות של שדה מגנטי. המצבים גם משנים את יציבות הפאזה של החומר. שינויים אלו יכולים לגרום לשינויים מהותיים בתכונות החומר ובהתנהגותו שניתן לכוונן ולהתאים.
"פיזור הנייטרונים מראה כי יכולת הקירור של סגסוגת זיכרון הצורה המגנטי משולשת על ידי החום הכלול במצבי מגנון-פונון היברידיים מקומיים אלה שנוצרים בגלל אי הסדר במערכת", אמר מייקל מנלי מ-ORNL, מוביל המחקר. . "ממצא זה חושף דרך לייצור חומרים טובים יותר עבור יישומי קירור במצב מוצק לצרכים חברתיים."
חקר שלבי חומרים מופרעים
סגסוגת זיכרון הצורה המגנטית שהצוות חקר נמצאת בשלב שכמעט יצר מצבים לא מסודרים הידועים כזכוכית ספין וזכוכית מתיחה – לא הזכוכית המוכרת המשמשת בחלונות ובמקומות אחרים אלא שלבים לא שגרתיים של חומר חסרי סדר. המומנטים המגנטיים, או המגנטים הזעירים, הקשורים לאטומים בשלב זכוכית הספין מכוונים באופן אקראי ולא מצביעים לאותו כיוון. באופן השוואתי, בשלב הזכוכית המתיחה, הסריג של האטומים מתאמץ בקנה מידה ננומטרי בתבנית מבולגנת ולא סדירה. זכוכית ספין וזכוכית מתיחה מכונים תנאים מתוסכלים בחומר מכיוון שהם נובעים מאינטראקציות מתחרות או אילוצים שמונעים מהחומר להגיע למצב מסודר יציב.
השלכות על אחסון חום וקירור מוצק
"ככל שהחומר מתקרב למצב המתוסכל הזה, כמות החום המאוחסנת גדלה", אמר מנלי. "אינטראקציות לטווח ארוך וקצר מתבטאות בתנודות מקומיות ובגלי ספין, מה שאומר שהם נלכדים באזורים קטנים. זה חשוב מכיוון שמצבי רטט מקומיים נוספים אלה אוגרים חום. שינוי השדה המגנטי גורם למעבר פאזה נוסף שבו החום הזה משתחרר".
שליטה בפונקציות של סגסוגת זיכרון הצורה המגנטית כך שתוכל לשמש כספוג חום יכולה להיות אחת הדרכים לאפשר קירור יעיל במצב מוצק ללא צורך בחומרי קירור מסורתיים או רכיבים מכניים.
מחקר זה נתמך על ידי המשרד למדעי החומרים וההנדסה של DOE. חלק מעבודת פיזור הנייטרונים עבור מחקר זה בוצע בכור האיזוטופים הזרמים הגבוהים ובמקור הניוטרונים ה-Spallation, מתקני המשתמשים של משרד DOE of Science ב-ORNL. המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של משרד המסחר סיפק גם מתקני מחקר נויטרונים.
