Onderzoekers ontdekken koele geheimen van innovatief vastestofkoelmateriaal

AmsterdamEen team van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory heeft een belangrijke vooruitgang geboekt in koeltechnologie. Ze hebben een nieuw koelmateriaal op atoomniveau onderzocht. Dit materiaal kan de efficiëntie van koelsystemen verbeteren voor toepassingen zoals voedselopslag, auto's en elektronica. De nieuwe methode maakt geen gebruik van de gebruikelijke koelmiddelen of bewegende onderdelen.

Wetenschappers onderzochten een legering van nikkel, kobalt, mangaan en indium die kan veranderen van vorm en daarna terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat. Dit gebeurt wanneer de temperatuur stijgt of er een magnetisch veld wordt toegepast.

Hier zijn enkele belangrijke punten over dit onderzoek:

• Vastestofkoeling is een opkomende technologie.
• Het is milieuvriendelijk en vermijdt traditionele koelmiddelen.
• Het bestudeerde materiaal is een magnetische vormgeheugenlegering.
• Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van neutronenverstrooiingsinstrumenten.

Wanneer de legering aan een magnetisch veld wordt blootgesteld, verandert deze van fase en absorbeert en geeft warmte af. Dit fenomeen staat bekend als het magnetocalorisch effect en wordt gebruikt voor koeling zonder bewegende onderdelen. Het ORNL-team ontdekte dat het koelvermogen van deze legering drie keer wordt verhoogd door warmte in lokale magnon-fonon hybride modi.

Deze legering bevindt zich nabij een toestand die bekend staat als ferroïsche glasachtige staten, wat de capaciteit om warmte op te slaan en vrij te geven verbetert. In kleine gebieden van het materiaal interageren magnonen (spin-golven) en fononen (trillingen); deze gebieden worden gelokaliseerde hybride magnon-fonon modes genoemd. Wetenschappers ontdekten dat deze modes het gedrag van fononen veranderen wanneer er een magnetisch veld wordt toegepast en ook de fase-stabiliteit van het materiaal beïnvloeden.

Het materiaal kan op twee manieren ongeordend raken, genaamd spin-glass en strain-glass. Bij spin-glass zijn de magnetische momenten van de atomen willekeurig georiënteerd. Bij strain-glass is het atoomrooster op nanoschaal vervormd. Deze ongeordende condities vangen warmte op in gelokaliseerde vibratietoestanden. Het aanbrengen van een magneetveld kan de opgeslagen warmte vrijgeven.

Neutronenverstrooiing toont aan dat warmte in specifieke lokale magnon-fononmodi de koelingscapaciteit verbetert, aldus Michael Manley, de onderzoeksleider bij ORNL. Deze ontdekking kan leiden tot betere materialen voor solid-state koeling.

Dit onderzoek werd gefinancierd door de Materialenwetenschappen- en Techniekafdeling van het DOE's Office of Science. Een aantal neutronenverstrooiingsexperimenten werd uitgevoerd in de High Flux Isotope Reactor en de Spallation Neutron Source bij ORNL. Het National Institute of Standards and Technology stelde ook neutronenonderzoeksfaciliteiten ter beschikking.

Deze magnetische vormgeheugenlegering kan efficiënt warmte absorberen. Dit zou solid-state koeling mogelijk maken zonder traditionele koelmiddelen of mechanische onderdelen. De ontdekkingen van het team bieden nieuwe kansen voor verbeteringen in koelingstechnologie.