科学者が革新的な固体冷却材料の原子レベルの詳細を解明

Tokyoエネルギー省オークリッジ国立研究所の科学者たちは、原子レベルでの熱移動に関する理解を深める 重要な進展を遂げました。この発見は、様々な分野で利用可能な固体冷却技術の改善にとって重要です。以下は、この研究からの重要なポイントです。

• ニッケル-コバルト-マンガン-インジウムからなる磁気形状記憶合金を調査しました。
• 分析のために中性子散乱装置を使用しました。
• 材料の磁気カロリック効果に注目しました。
• 局所化したハイブリッドマグノン-フォノンモードに関する新しい洞察を明らかにしました。

従来の冷却システムは冷媒や可動部品を使用しており、環境に悪影響を及ぼす可能性があり、効率が悪い場合もあります。一方で、固体冷却は特殊な材料を利用して、可動部品や有害な液体なしで熱を吸収・放出します。この新しい方法は、より効果的で静かに動作できる可能性があります。

ORNLの研究チームはニッケル、コバルト、マンガン、インジウムから成る材料を研究しました。この材料は固体冷却に役立つ可能性があり、形状を変えた後に元の形状に戻ることができる相転移を起こします。この相転移は材料を加熱したり、磁場をかけたりすることによって起こります。この転移が起きると、材料は熱を吸収して放出します。これが磁気熱量効果として知られています。

発見された重要な点は、材料内の無秩序な状態の影響であり、これをフェロイックグラス状態と呼びます。これらの状態はスピングラスやストレイングラスフェーズに似ていますが、さらに無秩序です。スピングラスフェーズでは、原子の磁気モーメントがランダムに配向され、ストレイングラスフェーズでは原子格子が不規則に変形しています。これらの無秩序な状態は、材料の熱の貯蔵および放出能力を向上させることができるため、重要です。

科学者たちは中性子散乱法を用いて原子構造を詳細に調べました。その結果、混合状態においてスピン波と振動が限られた領域で相互作用していることを発見しました。この組み合わさったスピン波と振動のモードが、材料の熱特性に影響を及ぼしています。磁場を加えるとこれらのモードに大きな影響を与え、材料の安定性や熱的挙動を変化させます。

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ORNLのマイケル・マンリーは、素材の冷却能力が比熱の相互作用により3倍向上したと説明しました。この改善により、素材はより多くの熱を蓄積し、必要なときに効率的に放出することができます。

この研究は、冷却材料の改善に向けた新たな方法を提案しています。これらの混合モードを制御することで、科学者たちはより効果的に熱を蓄えたり放出したりできる材料を作り出すことが可能になります。これにより、電子機器や車両、その他の一般的な用途において、より優れた冷却システムが実現できるかもしれません。

この研究は、エネルギー省(DOE)の科学技術局の材料科学工学部によって資金提供されました。中性子散乱実験は、強力なアイソトープ炉とスパレーション中性子源において、オークリッジ国立研究所で実施されました。また、国立標準技術研究所も研究施設の提供に貢献しました。

固体冷却技術は、私たちのデバイスや空間の冷却方法を一変させる可能性があります。さらなる研究を進めることで、従来の方法における問題点を解決し、熱管理に優れた素材を開発することが目指されています。