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O forte acoplamento entre vibrações atômicas localizadas e flutuações de spin aumenta a absorção e liberação de calor, mostrada de baixo para cima, em uma liga magnética com memória de forma, melhorando sua capacidade de resfriamento de estado sólido. Crédito: Phoenix Pleasant/ORNL, US Dept. of Energy
Pesquisadores fizeram avanços significativos na compreensão do movimento de calor em escala atômica em materiais, crucial para o desenvolvimento da tecnologia de resfriamento de estado sólido.
Essa tecnologia, que opera sem refrigerantes tradicionais ou peças móveis, usa materiais como ligas magnéticas de níquel-cobalto-manganês-índio com memória de forma para explorar o efeito magnetocalórico e obter um resfriamento eficiente.
Uma lacuna crucial de conhecimento sobre movimento de calor em escala atômica foi recentemente preenchida por uma equipe de pesquisa liderada pelo Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia. Esse novo entendimento é promissor para aprimorar materiais para avançar uma tecnologia emergente chamada resfriamento de estado sólido.
Avanços na tecnologia de resfriamento de estado sólido
Uma inovação ecologicamente correta, o resfriamento de estado sólido poderia resfriar com eficiência muitas coisas na vida diária, de alimentos a veículos e eletrônicos — sem líquidos e gases refrigerantes tradicionais ou peças móveis. O sistema operaria por meio de um sistema silencioso, compacto e leve que permite controle preciso da temperatura.
Embora a descoberta de materiais aprimorados e a invenção de dispositivos de maior qualidade já estejam ajudando a promover o crescimento do novo método de resfriamento, uma compreensão mais profunda dos aprimoramentos de materiais é essencial. A equipe de pesquisa usou um conjunto de instrumentos de espalhamento de nêutrons para examinar em escala atômica um material que os cientistas consideram ser um candidato ideal para uso em resfriamento de estado sólido.
Explorando o efeito magnetocalórico em ligas
O material, uma memória de forma magnética de níquel-cobalto-manganês-índio Ligapode ser deformado e então retornado à sua forma original ao ser conduzido por uma transição de fase, seja aumentando a temperatura ou aplicando um campo magnético. Quando submetido a um campo magnético, o material passa por uma transição de fase magnética e estrutural, durante a qual absorve e libera calor, um comportamento conhecido como efeito magnetocalórico. Em aplicações de resfriamento de estado sólido, o efeito é aproveitado para fornecer refrigeração. Uma característica fundamental do material é sua proximidade a condições desordenadas conhecidas como estados vítreos ferroicos, porque eles apresentam uma maneira de aumentar a capacidade do material de armazenar e liberar calor.
Magnons, também conhecidos como ondas de spin, e fônons, ou vibrações, se acoplam em uma dança sincronizada em pequenas regiões distribuídas pelo arranjo desordenado de átomos que compõem o material. Os pesquisadores descobriram que padrões de comportamento nessas pequenas regiões, chamados de modos híbridos magnon-fônon localizados no artigo da equipe detalhando a pesquisa, têm implicações importantes para as propriedades térmicas do material.
A dispersão de nêutrons mostra que a capacidade de resfriamento da liga magnética com memória de forma é triplicada pelo calor contido dentro desses modos híbridos magnon-fônon locais que se formam por causa da desordem no sistema. Essa descoberta revela um caminho para fazer melhores materiais para aplicações de resfriamento de estado sólido para necessidades sociais.
— Michael Manley, pesquisador sênior do grupo de espalhamento de nêutrons e raios X do ORNL
Propriedades inovadoras de materiais para resfriamento aprimorado
Os cientistas revelaram que os modos fazem com que os fônons sejam significativamente alterados ou deslocados pela presença de um campo magnético. Os modos também modificam a estabilidade de fase do material. Essas mudanças podem resultar em alterações fundamentais nas propriedades e no comportamento do material que podem ser ajustados e adaptados.
“A dispersão de nêutrons mostra que a capacidade de resfriamento da liga magnética de memória de forma é triplicada pelo calor contido dentro desses modos híbridos magnon-fônon locais que se formam por causa da desordem no sistema”, disse Michael Manley, do ORNL, o líder do estudo. “Essa descoberta revela um caminho para fazer melhores materiais para aplicações de resfriamento de estado sólido para necessidades sociais.”
Explorando Fases Materiais Desordenadas
A liga magnética com memória de forma que a equipe estudou está em uma fase que quase formou condições desordenadas conhecidas como vidro de spin e vidro de deformação — não o vidro familiar usado em janelas e outros lugares, mas fases não convencionais da matéria que carecem de ordem. Os momentos magnéticos, ou pequenos ímãs, associados aos átomos na fase de vidro de spin são orientados aleatoriamente em vez de apontar na mesma direção. Comparativamente, na fase de vidro de deformação, a rede de átomos é deformada na escala nanométrica em um padrão bagunçado e irregular. O vidro de spin e o vidro de deformação são chamados de condições frustradas em um material porque surgem de interações ou restrições concorrentes que impedem o material de atingir um estado ordenado estável.
Implicações para armazenamento de calor e resfriamento de estado sólido
“À medida que o material se aproxima desse estado frustrado, a quantidade de calor armazenado aumenta”, disse Manley. “Interações de longo e curto alcance se manifestam como vibrações localizadas e ondas de spin, o que significa que elas estão ficando presas em pequenas regiões. Isso é importante porque esses estados vibracionais extra localizados armazenam calor. Alterar o campo magnético desencadeia outra transição de fase na qual esse calor é liberado.”
Controlar as funções da liga magnética com memória de forma para que ela possa ser usada como uma esponja de calor pode ser uma maneira de permitir um resfriamento eficiente em estado sólido sem a necessidade de refrigerantes tradicionais ou componentes mecânicos.
Referência: “A localização híbrida de magnon-fônon aumenta a função perto de estados vítreos ferroicos” por Michael E. Manley, Paul J. Stonaha, Nickolaus M. Bruno, Ibrahim Karaman, Raymundo Arroyave, Songxue Chi, Douglas L. Abernathy, Matthew B. Stone, Yuri I. Chumlyakov e Jeffrey W. Lynn, 14 de junho de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adn2840
Este estudo foi apoiado pela Divisão de Engenharia e Ciências de Materiais do Escritório de Ciência do DOE. Uma parte do trabalho de espalhamento de nêutrons para esta pesquisa foi realizada no High Flux Isotope Reactor e na Spallation Neutron Source, instalações de usuários do Escritório de Ciência do DOE no ORNL. O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia do Departamento de Comércio também forneceu instalações de pesquisa de nêutrons.