Científicos exploran el potencial del innovador material de refrigeración en estado sólido

MadridCientíficos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han logrado avances significativos en la comprensión de cómo se desplaza el calor a nivel atómico en los materiales. Este descubrimiento es crucial para mejorar las tecnologías de refrigeración en estado sólido, que tienen aplicaciones en diversos ámbitos. Estas son las conclusiones clave de la investigación:

• Se estudió una aleación con memoria de forma magnética: níquel-cobalto-manganeso-indio.
• Se utilizaron instrumentos de dispersión de neutrones para el análisis.
• El enfoque se centró en el efecto magnetocalórico del material.
• Se descubrieron nuevos conocimientos sobre modos híbridos localizados de magnón-fonón.

Refrigeración de estado sólido: una alternativa ecoeficiente

Los sistemas de refrigeración tradicionales emplean refrigerantes y componentes móviles. Estos sistemas pueden perjudicar al medio ambiente y no siempre son eficientes. La refrigeración de estado sólido es diferente ya que utiliza materiales especiales para absorber y liberar calor sin partes móviles ni fluidos perjudiciales. Este nuevo método puede funcionar mejor y de manera más silenciosa.

El equipo de investigación de ORNL analizó un material compuesto por níquel, cobalto, manganeso e indio. Este material podría ser útil para la refrigeración de estado sólido ya que puede cambiar de forma y luego volver a su forma original a través de una transición de fase. Esta transición puede ocurrir al calentar el material o al aplicar un campo magnético. Cuando se produce esta transición, el material absorbe y libera calor, fenómeno conocido como el efecto magnetocalórico.

Un descubrimiento clave es el impacto de las condiciones desordenadas en el material, conocidas como estados ferroicos vítreos. Estos estados son similares a las fases de vidrio de espín y vidrio de deformación, pero son aún más desordenados. En la fase de vidrio de espín, los momentos magnéticos atómicos están orientados aleatoriamente. En la fase de vidrio de deformación, la estructura atómica del material está deformada de manera irregular. Estos estados desordenados son importantes porque pueden mejorar la capacidad del material para almacenar y liberar calor.

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Científicos emplearon métodos de dispersión de neutrones para examinar de cerca la estructura atómica. Descubrieron que, en estos estados desordenados, las ondas de espín y las vibraciones interactúan en áreas pequeñas. Estos modos combinados de ondas de espín-vibraciones influyen en las propiedades térmicas del material. La aplicación de un campo magnético afecta significativamente estos modos, alterando la estabilidad y el comportamiento térmico del material.

Michael Manley de ORNL explicó que la capacidad de enfriamiento del material es tres veces superior debido a las interacciones específicas del calor. Esta mejora permite al material almacenar más calor y liberarlo de manera más eficiente cuando se necesita.

La investigación presenta nuevas formas de mejorar los materiales de enfriamiento. Al aprender a controlar estos modos mixtos, los científicos pueden desarrollar materiales que almacenen y liberen calor de manera más efectiva. Esto podría resultar en sistemas de enfriamiento más eficientes para dispositivos electrónicos, vehículos y otros usos comunes.

Este estudio fue financiado por la División de Ciencias de Materiales e Ingeniería de la Oficina de Ciencia del DOE. Los experimentos de dispersión de neutrones se realizaron en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo y la Fuente de Neutrones de Espalación en ORNL. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología también proporcionó instalaciones de investigación.

La refrigeración de estado sólido podría revolucionar la manera en que enfriamos nuestros dispositivos y espacios. Con más investigación, el objetivo es desarrollar materiales que gestionen el calor eficazmente sin los inconvenientes de los métodos antiguos.