Nous materials per a la refrigeració del futur
Un equip internacional de científics de la Universitat de Barcelona, lʼHelmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) i la Universitat Tècnica de Darmstadt ha publicat un article a la revista Applied Physics Reviews en què es mostren les possibilitats dʼimplementar processos de refrigeració més eficients i respectuosos amb el medi ambient a partir de materials multicalòrics. Amb aquest objectiu, els investigadors van analitzar la resposta tèrmica de certs aliatges en ser sotmesos simultàniament a camps magnètics i esforços mecànics.
Un equip internacional de científics de la Universitat de Barcelona, lʼHelmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) i la Universitat Tècnica de Darmstadt ha publicat un article a la revista Applied Physics Reviews en què es mostren les possibilitats dʼimplementar processos de refrigeració més eficients i respectuosos amb el medi ambient a partir de materials multicalòrics. Amb aquest objectiu, els investigadors van analitzar la resposta tèrmica de certs aliatges en ser sotmesos simultàniament a camps magnètics i esforços mecànics.
Fins ara, els investigadors estudiaven el que es coneix com a efecte magnetocalòric, que es pot observar quan certs metalls i aliatges estan exposats a un camp magnètic: els materials canvien espontàniament el seu ordre magnètic i la temperatura, i això els fa ser uns candidats prometedors per a dispositius de refrigeració magnètica. Més recentment, sʼha comprovat que podem augmentar considerablement aquest efecte en determinats materials afegint-hi simultàniament altres estímuls, com ara un camp dʼesforços, o més específicament, una càrrega mecànica. Són els anomenats materials multicalòrics, dels quals ja seʼn coneix una petita gamma.
Lʼequip que ha dut a terme aquesta recerca va seleccionar per a lʼestudi un aliatge especial de níquel, manganès i indi, com un dels materials més prometedors. Es tracta dʼun aliatge magnètic amb memòria de forma (shape memory). Davant un estímul extern, com ara un camp magnètic, el material es transforma dʼuna estructura cristal·lina a una altra, la qual cosa dona lloc a alteracions considerables en el material. «La característica especial del compost seleccionat en aquest cas és que les seves propietats magnètiques també canvien bruscament a la temperatura a la qual canvien les estructures cristal·lines. És a dir, lʼestructura i el magnetisme estan fortament acoblats», explica Lluís Mañosa, catedràtic del Departament de Física de la Matèria Condensada i membre de lʼInstitut de Nanociència i Nanotecnologia de la UB (IN2UB).
Un dispositiu de mesura a mida
Per determinar les propietats del material que són necessàries per a un procés de refredament eficient, lʼequip de la Universitat de Barcelona va haver de desenvolupar primer un calorímetre únic i especialment dissenyat que permetia lʼaplicació simultània dʼun camp magnètic i un esforç a la mostra.
Per fer-ho, es va aprofitar un mètode ja conegut en assajos de materials i es va adaptar per als objectius dʼaquest estudi, sotmetent la mostra a tensions mecàniques uniaxials. Tot i que les densitats de flux magnètic oscil·laven fins a 6 tesles (T), que és 120.000 vegades més fort que el camp magnètic de la Terra, lʼesforç de compressió màxim aplicat va ser de 50 megapascals. Per a la mida de mostra donada, aquesta força correspon aproximadament a una massa de 20 quilograms.
«Això vol dir que es pot aplicar aquest tipus de força amb una sola mà. I aquest és lʼaspecte decisiu per a futures aplicacions, perquè aquestes càrregues mecàniques són relativament fàcils dʼimplementar», apunta Mañosa. «El nostre repte era integrar mesures precises tant de lʼesforç de compressió com de la deformació en el calorímetre sense distorsionar les condicions de mesura», afegeix.
Els investigadors van registrar diversos paràmetres simultàniament —com ara el canvi de temperatura, la densitat de flux magnètic, la tensió de compressió i lʼentropia de lʼaliatge— durant les fases de refredament i dʼescalfament programades a prop dʼuna temperatura específica a la qual el material donat experimenta transformacions que condueixen a un canvi de magnetització. En lʼaliatge utilitzat, aquest procés es produeix al voltant de la temperatura ambient, cosa que també és avantatjosa per a aplicacions pràctiques posteriors.
Les mesures representen el comportament de la mostra en un espai de quatre dimensions. Mapar aquest espai dʼuna manera significativa requereix una sèrie dʼexperiments que donen lloc a campanyes de mesura llargues. La interacció dels diferents estímuls en materials multicalòrics no sʼha investigat gaire fins ara. Lʼaliatge de níquel, manganès i indi és el compost prototip més ben investigat quant a aquesta classe de materials. El catedràtic de la UB, i també membre de lʼIN2UB, Antoni Planes, indica que «els resultats han demostrat que els cicles que utilitzen simultàniament esforços mecànics i camp magnètic presenten millors prestacions de cara a la refrigeració que els que només fan servir un dʼaquests estímuls».
Referència de lʼarticle:
A. Gràcia-Condal, T. Gottschall, L. Pfeuffer, O. Gutfleisch, A. Planes, L. Mañosa, «Multicaloric effects in metamagnetic heusler Ni-Mn-In under uniaxial stress and magnetic field», in Applied Physics Reviews, 2020. DOI: 10.1063/5.0020755