Nel diario Recensioni di fisica applicata , un gruppo di ricerca internazionale dell'Università di Barcellona, l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), e la relazione TU Darmstadt sulle possibilità di implementare processi di refrigerazione più efficienti ed ecocompatibili. Per questo scopo, hanno studiato gli effetti dell'esposizione simultanea di determinate leghe a campi magnetici e sollecitazioni meccaniche.

Nel passato, i ricercatori si occupavano principalmente del noto effetto magnetocalorico, che si può osservare quando determinati metalli e leghe sono esposti a un campo magnetico:i materiali cambiano spontaneamente il loro ordine magnetico e la loro temperatura, il che li rende candidati promettenti per i circuiti di raffreddamento magnetici. "Recentemente è stato scoperto che possiamo aumentare considerevolmente questo effetto in alcuni materiali aggiungendo contemporaneamente altri stimoli, come un campo di forza, o più precisamente, un carico meccanico, " afferma il dott. Tino Gottschall dell'High Magnetic Field Laboratory (HLD) dell'HZDR, descrivere l'approccio del team. È già nota una piccola gamma di tali materiali multicalorici.

Il team di ricerca ha selezionato una speciale lega di nichel-manganese-indio come uno dei materiali più promettenti per i propri esperimenti. È una delle leghe magnetiche a "memoria di forma", la cui memoria è il risultato della trasformazione di due diversi reticoli cristallini:se c'è uno stimolo esterno, come un campo magnetico, queste strutture si trasformano l'una nell'altra, con conseguenti alterazioni evidenti nel materiale, ad esempio, cambiamenti di forma chiaramente percettibili non sono rari. La particolarità del composto selezionato è, però, che ad una certa temperatura alla quale cambiano le strutture cristalline, anche le proprietà magnetiche del composto cambiano bruscamente:struttura e magnetismo sono fortemente accoppiati.

Un misuratore su misura

Per determinare le proprietà del materiale necessarie per un processo di raffreddamento efficiente, la squadra di Barcellona ha dovuto prima sviluppare un unico, calorimetro appositamente progettato per misurare il calore e che consente l'applicazione simultanea di un campo magnetico e pressione al campione. Per fare questo, gli scienziati hanno sfruttato un metodo familiare dai test sui materiali e lo hanno adattato ai loro scopi, sottoponendo il campione a sollecitazioni meccaniche uniassiali.

Mentre le densità del flusso magnetico variavano fino a 6 Tesla, che è 120, 000 volte più forte del campo magnetico terrestre, il picco di sollecitazione di compressione applicato era di 50 megapascal moderati. Per la data dimensione del campione, quella forza corrisponde all'incirca a una massa di 20 chilogrammi. "Si può applicare manualmente questo tipo di pressione. E questo è l'aspetto decisivo per le applicazioni future, perché tali carichi meccanici gestibili sono relativamente facili da implementare, " spiega il prof. Lluís Mañosa dell'Università di Barcellona, aggiungendo:"La sfida per noi era integrare misurazioni accurate sia dello stress di compressione che della deformazione nel nostro calorimetro senza distorcere le condizioni di misurazione".

Ricercato:controllo di processo per applicazioni pratiche

La valutazione dei risultati ottenuti è stata piuttosto complessa. I ricercatori hanno registrato vari parametri contemporaneamente, come la variazione di temperatura, densità di flusso magnetico, sollecitazione di compressione, e l'entropia della lega durante le fasi di raffreddamento e riscaldamento programmate vicino a una temperatura specifica alla quale il dato materiale subisce trasformazioni nel reticolo cristallino che portano a un cambiamento nella magnetizzazione. Nella lega utilizzata, questo processo avviene a temperatura ambiente, il che è vantaggioso anche per una successiva applicazione pratica.

Le misurazioni tracciano il comportamento del campione in uno spazio quadridimensionale. Mappare questo spazio in modo significativo richiede una serie di esperimenti, con conseguente campagne di misurazione su larga scala. Per il Prof. Oliver Gutfleisch di TU Darmstadt, lo sforzo è utile:"Finora l'interazione dei diversi stimoli nei materiali multicalorici è stata poco studiata. La nostra lega di nichel-manganese-indio è il composto prototipo più ricercato fino ad oggi in questa classe di materiali. Il nostro lavoro ha riempito alcuni spazi vuoti sulla mappa delle sue proprietà."

Ora, gli scienziati possono valutare in modo pragmatico il beneficio di un carico di pressione aggiuntivo, un obiettivo di ricerca centrale del progetto ERC Advanced Grant Cool Innov. In un ciclo di raffreddamento con magneti permanenti al neodimio disponibili in commercio, l'efficienza di raffreddamento potrebbe essere raddoppiata applicando contemporaneamente un campo di forza. Il team presume che il nuovo processo sarà di grande valore anche nella ricerca di altri materiali di raffreddamento promettenti per il futuro.