Ερευνητές στην Κίνα έχουν δείξει ότι η εφαρμογή καταπόνησης σε ένα σύνθετο υλικό χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί ένα μεγάλο και αναστρέψιμο θερμιδικό αποτέλεσμα. Αυτός ο νέος τρόπος ενίσχυσης του θερμιδικού αποτελέσματος χωρίς μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους ψύξης σε στερεά κατάσταση και να οδηγήσει σε πιο ενεργειακά αποδοτικά και ελαφρύτερα ψυγεία.
Το Διεθνές Ινστιτούτο Ψύξης εκτιμά ότι 20% του συνόλου της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται παγκοσμίως δαπανάται για ψύξη με συμπίεση ατμών – η οποία είναι η τεχνολογία που χρησιμοποιείται στα συμβατικά ψυγεία και τα κλιματιστικά. Επιπλέον, τα ψυκτικά που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα είναι ισχυρά αέρια θερμοκηπίου που συμβάλλουν σημαντικά στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν πιο φιλικά προς το περιβάλλον συστήματα ψύξης.
Τα συστήματα ψύξης μπορούν επίσης να κατασκευαστούν από συστήματα εντελώς στερεάς κατάστασης, αλλά αυτά δεν μπορούν επί του παρόντος να ανταγωνιστούν τη συμπίεση ατμού για τις περισσότερες κύριες εφαρμογές. Σήμερα, τα περισσότερα εμπορικά συστήματα ψύξης στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν το φαινόμενο Peltier, το οποίο είναι μια θερμοηλεκτρική διαδικασία που πάσχει από υψηλό κόστος και χαμηλή απόδοση.
Εξωτερικά πεδία
Τα συστήματα ψύξης στερεάς κατάστασης που βασίζονται σε θερμιδικά υλικά προσφέρουν τόσο υψηλή απόδοση ψύξης όσο και μηδενικές εκπομπές θερμοκηπίου και αναδεικνύονται ως πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για να αντικαταστήσουν την τεχνολογία συμπίεσης ατμών. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν ένα στερεό υλικό ως ψυκτικό, το οποίο όταν υποβάλλεται σε εξωτερικό πεδίο (ηλεκτρικό, μαγνητικό, καταπόνηση ή πίεση) υφίσταται μια αλλαγή στη θερμοκρασία - ένα φαινόμενο που ονομάζεται θερμιδικό φαινόμενο.
Μέχρι στιγμής, οι περισσότερες έρευνες σε συστήματα ψύξης θερμίδων στερεάς κατάστασης έχουν επικεντρωθεί σε μαγνητικά ψυκτικά μέσα. Ωστόσο, τα πρακτικά ψυκτικά πρέπει να παρουσιάζουν σημαντική θερμιδική επίδραση κοντά στη θερμοκρασία δωματίου και τέτοια υλικά είναι γενικά δύσκολο να βρεθούν. Ένα πιθανό υλικό είναι το Mn3SnC, το οποίο εμφανίζει σημαντική θερμιδική επίδραση όταν εκτίθεται σε μαγνητικά πεδία μεγαλύτερα από 2 Τ. Αλλά η χρήση τόσο υψηλού μαγνητικού πεδίου απαιτεί τη χρήση ακριβών και ογκωδών μαγνητών, κάτι που δεν είναι πρακτικό.
Τώρα, Πενγκ Γου και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο ShanghaiTech, το Ινστιτούτο Μικροσυστημάτων και Τεχνολογίας Πληροφορικής της Σαγκάης, το Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και το Πανεπιστήμιο Jiaotong του Πεκίνου έχουν εξαλείψει την ανάγκη για μαγνήτες συνδυάζοντας ένα Mn3Στρώμα SnC με πιεζοηλεκτρικό στρώμα τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου (PZT).
Καταργώντας τους μαγνήτες
Σε μια σειρά πειραμάτων που περιγράφονται στο Acta Υλικά, η ομάδα παρατήρησε ένα αναστρέψιμο θερμιδικό αποτέλεσμα χωρίς την ανάγκη για μαγνητικό πεδίο. Η αδιαβατική αλλαγή θερμοκρασίας που επιτεύχθηκε ήταν περίπου διπλάσια από εκείνη που μετρήθηκε για το Mn3SnC παρουσία μαγνητικού πεδίου 3 Τ.
Το θερμιδικό αποτέλεσμα παρατηρήθηκε εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο στο υλικό, το οποίο προκαλεί καταπόνηση στο PZT μέσω του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Το στέλεχος μεταφέρεται από το στρώμα PZT στο Mn3Στρώμα SnC, το οποίο οδηγεί σε αλλαγή στη μαγνητική διάταξη του Mn3SnC. Αυτό προκαλεί πτώση θερμοκρασίας έως και 0.57 K στο υλικό. Όταν αφαιρεθεί το ηλεκτρικό πεδίο, η θερμοκρασία αυξάνεται κατά την ίδια τιμή.
Ο Γου λέει Κόσμος Φυσικής ότι πήρε αυτή την ιδέα από τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS), τα οποία συχνά χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικά υλικά για ενεργοποίηση. Σύμφωνα με τον Wu, η χρήση καταπόνησης που προκαλείται από ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξάλειψη της ανάγκης για δαπανηρούς και μεγάλους μαγνήτες, δημιουργώντας ένα πιο αποτελεσματικό και βιώσιμο σύστημα ψύξης.
Προκλητική μέτρηση
Το θερμιδικό αποτέλεσμα μετριέται είτε με εκτίμηση της αδιαβατικής μεταβολής της θερμοκρασίας είτε της μεταβολής της ισοθερμικής εντροπίας. Τόσο στη βιομηχανία όσο και στην έρευνα, η αλλαγή θερμοκρασίας είναι η προτιμώμενη μέθοδος. Αν και αυτό είναι ένα απλό πείραμα για καθαρά υλικά χύδην, είναι εξαιρετικά δύσκολο να γίνει για ένα σύνθετο υλικό που βασίζεται σε συσκευές που υπόκειται σε ηλεκτρικό πεδίο.
Το «κολοσσιαίο ελαστοθερμιδικό αποτέλεσμα» θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερα ψυγεία
Για να πραγματοποιήσουν τη μέτρηση, ο Wu και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα σύστημα εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα θερμοστοιχείου συνδεδεμένο στο Mn3Επιφάνεια SnC σε αδιαβατικό περιβάλλον με επακριβώς ελεγχόμενο μαγνητικό πεδίο και θερμοκρασία.
Για να αξιολογήσουν την ακρίβεια του συστήματος μέτρησής τους, οι ερευνητές πραγματοποίησαν αρκετές μετρήσεις μαγνητοθερμιδικής επίδρασης στο εύρος θερμοκρασίας 275–290 K. Κατάφεραν να παρακολουθήσουν τις αλλαγές θερμοκρασίας έως και 0.03 K, επαληθεύοντας έτσι την ικανότητα θερμοκρασίας υψηλής ανάλυσης του συστήματος.
Ο Wu πιστεύει ότι το έργο της ομάδας είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην άμεση μέτρηση της αλλαγής θερμοκρασίας, δεδομένης της πρόκλησης να γίνει μια αδιαβατική μέτρηση θερμοκρασίας ενώ εφαρμόζεται μια τάση στο PZT. Και προσθέτει, «Αυτή η προσέγγιση μέτρησης της θερμοκρασίας θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για άλλες θερμικές ηλεκτρονικές συσκευές». Ωστόσο, ο Wu τονίζει ότι «το σύστημα δεν είναι εντελώς αδιαβατικό. μπορεί να προκαλέσει απώλεια θερμότητας, επομένως απαιτείται περαιτέρω βελτίωση για τυχόν μετρήσεις θερμότητας».
Ενδιαφέρον και ανεξήγητο
Η ομάδα παρατήρησε επίσης μερικά πολύ ενδιαφέροντα και απροσδόκητα φαινόμενα κατά τη διάρκεια της μέτρησης της θερμοκρασίας. «Ανεξάρτητα από το αν κάποιος εφαρμόζει θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό πεδίο, η θερμοκρασία της επιφάνειας του Mn3Το SnC πάντα μειώνεται», λέει ο Wu. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου στο σύνθετο, η θερμοκρασία της επιφάνειας του Mn3Η SnC αυξάνεται, ενώ η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου κάνει το αντίθετο και προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας. Ο Wu λέει ότι η ομάδα δεν έχει καταλάβει ακόμη αυτές τις παρατηρήσεις.
Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να μελετήσουν την υποκείμενη φυσική πίσω από την αντίθετη συμπεριφορά του Mn3SnC/PZT υπό μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία. Για να βελτιώσουν περαιτέρω το σύστημα μέτρησης θερμοκρασίας, προσπαθούν επίσης να λύσουν το πρόβλημα της απώλειας θερμότητας.
