นักวิจัยในประเทศจีนได้แสดงให้เห็นว่าการใช้ความเครียดกับวัสดุคอมโพสิตโดยใช้สนามไฟฟ้าจะทำให้เกิดผลกระทบด้านแคลอรี่ที่มีขนาดใหญ่และย้อนกลับได้ วิธีการใหม่ในการเพิ่มเอฟเฟกต์แคลอรี่โดยไม่มีสนามแม่เหล็กสามารถเปิดช่องทางใหม่ของการทำความเย็นแบบโซลิดสเตต และนำไปสู่ตู้เย็นที่ประหยัดพลังงานและเบากว่า
สถาบันเครื่องทำความเย็นนานาชาติประมาณการว่า 20% ไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้ทั่วโลกถูกใช้ไปกับเครื่องทำความเย็นแบบอัดไอ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศทั่วไป ยิ่งไปกว่านั้น สารทำความเย็นที่ใช้ในระบบเหล่านี้ยังเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีฤทธิ์รุนแรงอีกด้วย มีส่วนสำคัญต่อภาวะโลกร้อน. เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์พยายามพัฒนาระบบทำความเย็นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
ระบบทำความเย็นสามารถทำได้จากระบบโซลิดสเตตอย่างสมบูรณ์ แต่ในปัจจุบันสิ่งเหล่านี้ไม่สามารถแข่งขันกับการบีบอัดไอสำหรับแอปพลิเคชันกระแสหลักส่วนใหญ่ วันนี้ระบบทำความเย็นแบบโซลิดสเตตเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้เอฟเฟกต์ Peltier ซึ่งเป็นกระบวนการเทอร์โมอิเล็กทริกที่ทนทุกข์ทรมานจากต้นทุนสูงและประสิทธิภาพต่ำ
ฟิลด์ภายนอก
ระบบทำความเย็นแบบโซลิดสเตตที่ใช้วัสดุแคลอรี่ให้ทั้งประสิทธิภาพการทำความเย็นสูงและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ และกำลังกลายเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มว่าจะเข้ามาแทนที่เทคโนโลยีการบีบอัดไอ ระบบเหล่านี้ใช้วัสดุที่เป็นของแข็งเป็นสารทำความเย็น ซึ่งเมื่อถูกสนามภายนอก (ไฟฟ้า แม่เหล็ก ความเครียด หรือความดัน) จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์แคลอรี่
จนถึงตอนนี้การวิจัยส่วนใหญ่เกี่ยวกับระบบระบายความร้อนแคลอรี่แบบโซลิดสเตตได้มุ่งเน้นไปที่สารทำความเย็นแม่เหล็ก อย่างไรก็ตามสารทำความเย็นในทางปฏิบัติจะต้องแสดงผลแคลอรี่ที่สำคัญใกล้อุณหภูมิห้องและวัสดุดังกล่าวโดยทั่วไปจะหาได้ยาก วัสดุที่มีศักยภาพหนึ่งคือ MN3SnC ซึ่งแสดงผลแคลอรี่อย่างมีนัยสำคัญเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่มากกว่า 2 T แต่การใช้สนามแม่เหล็กสูงเช่นนี้จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กราคาแพงและเทอะทะ ซึ่งใช้ไม่ได้จริง
ตอนนี้ เผิงหู่ และเพื่อนร่วมงานที่ ShanghaiTech University, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, University of Chinese Academy of Sciences และ Beijing Jiaotong University ได้ขจัดความจำเป็นในการใช้แม่เหล็กโดยการรวม Mn3เลเยอร์ SNC ที่มีชั้น piezoelectric ของ lead zirconate titanate (PZT)
ทำไปด้วยแม่เหล็ก
ในชุดการทดลองที่อธิบายไว้ใน แอคต้า แมททีเรียล, ทีมงานสังเกตเห็นผลกระทบแคลอรี่แบบพลิกกลับได้โดยไม่ต้องใช้สนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอะเดียแบติกทำได้ประมาณสองเท่าของค่า Mn3SnC เมื่อมีสนามแม่เหล็ก 3 T
สังเกตผลกระทบด้านแคลอรี่โดยการใช้สนามไฟฟ้ากับวัสดุ ซึ่งกระตุ้นให้เกิดความเครียดใน PZT ผ่านเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ ความเครียดจะถูกถ่ายโอนจากชั้น PZT ไปยัง Mn3ชั้น SnC ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลำดับแม่เหล็กของ Mn3เอสซี ส่งผลให้อุณหภูมิในวัสดุลดลงถึง 0.57 K เมื่อนำสนามไฟฟ้าออกไป อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามค่าเดียวกัน
วูบอก โลกฟิสิกส์ ว่าเขาได้รับแนวคิดนี้จากระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS) ซึ่งมักใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกในการกระตุ้น ตามที่ Wu กล่าว การใช้ความเครียดที่เป็นสื่อกลางของสนามไฟฟ้าสามารถช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ที่มีราคาแพง ทำให้เกิดระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้น
การวัดที่ท้าทาย
ผลกระทบแคลอรี่วัดได้โดยการประมาณการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอะเดียแบติกหรือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีไอโซเทอร์มอล ทั้งในอุตสาหกรรมและการวิจัย การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นวิธีที่แนะนำ แม้ว่านี่จะเป็นการทดลองที่ตรงไปตรงมาสำหรับวัสดุเทกองบริสุทธิ์ แต่ก็เป็นเรื่องยากมากที่จะทำกับวัสดุคอมโพสิตที่ใช้อุปกรณ์ซึ่งอยู่ภายใต้สนามไฟฟ้า
'ผลกระทบจากอีลาสโตแคลอริกมหาศาล' อาจส่งผลให้ตู้เย็นดีขึ้น
เพื่อทำการวัด WU และเพื่อนร่วมงานใช้ระบบที่ติดตั้งโพรบเทอร์โมคัปเปิลที่ติดอยู่กับ MN3พื้นผิว SnC ในสภาพแวดล้อมอะเดียแบติกที่มีสนามแม่เหล็กและอุณหภูมิควบคุมอย่างแม่นยำ
เพื่อประเมินความแม่นยำของระบบการวัด นักวิจัยได้ดำเนินการตรวจวัดผลแมกนีโทแคลอรี่หลายครั้งในช่วงอุณหภูมิ 275–290 เคลวิน โดยสามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิลงไปที่ 0.03 เคลวิน จึงเป็นการตรวจสอบความจุอุณหภูมิที่มีความละเอียดสูงของระบบ
Wu เชื่อว่างานของทีมถือเป็นความก้าวหน้าในการวัดอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงโดยตรง เมื่อพิจารณาจากความท้าทายในการวัดอุณหภูมิอะเดียแบติกในขณะที่จ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับ PZT เขากล่าวเสริมว่า "วิธีการวัดอุณหภูมินี้อาจเป็นประโยชน์กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความร้อนอื่นๆ" อย่างไรก็ตาม Wu เน้นย้ำว่า “ระบบนี้ไม่ได้เป็นแบบอะเดียแบติกอย่างสมบูรณ์ มันอาจทำให้เกิดการสูญเสียความร้อน ดังนั้นการปรับปรุงเพิ่มเติมจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตรวจวัดความร้อน”
น่าสนใจและอธิบายไม่ได้
ทีมงานยังสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่น่าสนใจและคาดไม่ถึงในระหว่างการวัดอุณหภูมิอีกด้วย “ไม่ว่าใครก็ตามจะใช้สนามไฟฟ้าบวกหรือลบ อุณหภูมิพื้นผิวจะเท่ากับ Mn3SnC ลดลงเสมอ” Wu กล่าว นักวิจัยยังพบว่าอุณหภูมิพื้นผิวของ Mn เมื่อใช้สนามแม่เหล็กกับคอมโพสิต3SnC จะเพิ่มขึ้น ในขณะที่การใช้สนามไฟฟ้าจะให้ผลตรงกันข้ามและทำให้อุณหภูมิลดลง วูบอกว่าทีมงานยังไม่เข้าใจข้อสังเกตเหล่านี้
ขณะนี้นักวิจัยตั้งเป้าที่จะศึกษาฟิสิกส์ที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังพฤติกรรมที่ตัดกันของ Mn3SnC/PZT ภายใต้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า เพื่อปรับปรุงระบบการวัดอุณหภูมิให้ดียิ่งขึ้น พวกเขายังพยายามแก้ไขปัญหาการสูญเสียความร้อนด้วย
