在磁性形状记忆合金中，局部原子振动和自旋波动之间的强耦合增加了热量的吸收和释放，从底部到顶部显示，从而提高了固态冷却的能力。资料来源:美国能源部菲尼克斯普莱森特/ORNL

研究人员在理解材料的原子尺度热运动方面取得了重大进展，这对发展固态冷却技术至关重要。

这项技术，它的操作没有传统Nal制冷剂或移动部件，使用镍钴锰铟磁性形状记忆合金等材料来利用磁热效应来实现高效冷却。

最近，美国能源部橡树岭国家实验室领导的一个研究小组弥合了原子尺度热运动的一个关键知识缺口。这种新的认识为增强材料以推进一种称为固态冷却的新兴技术带来了希望。

固态冷却技术的进展

固态冷却是一项环保创新，它可以有效地冷却日常生活中的许多东西，从食品到汽车再到电子产品，而不需要传统的制冷剂液体和气体或活动部件。该系统将通过一个安静、紧凑、轻便的系统运行，从而实现精确的温度控制。

虽然改进材料的发现和高质量设备的发明已经有助于促进新冷却方法的发展，但对材料增强的更深入了解是必不可少的。研究小组使用了一套中子散射仪器，在原子尺度上检查了一种材料，科学家们认为这种材料是用于固态冷却的最佳候选材料。

探索合金中的磁热效应

这种材料是一种镍钴锰铟磁性形状记忆合金，它可以变形，然后通过提高温度或施加磁场来驱动它经历相变，从而恢复到原来的形状。当受到磁场的作用时，材料会经历磁性和结构相变，在此期间它会吸收和释放热量，这种行为被称为磁热效应。在固态冷却应用中，该效应被用来提供制冷。这种材料的一个关键特性是它接近被称为铁玻璃态的无序状态，因为它们提供了一种增强材料储存和释放热量的能力的方法。

磁振子，也被称为自旋波，和声子，或振动，在组成材料的无序排列的原子分布的小区域中以同步舞蹈配对。研究人员发现，这些小区域的行为模式，在团队详细研究的论文中被称为局部混合磁子-声子模式，对材料的热性能具有重要意义。

中子散射表明，磁性形状记忆合金的冷却能力是由这些局部磁子-声子混合模式所包含的热量的三倍，这些模式是由于系统中的无序形成的。这一发现揭示了为社会需求制造更好的固态冷却材料的途径。——Michael Manley, ORNL中子和x射线散射组的高级研究员

创新材料性能，增强冷却

科学家们发现，在磁场存在的情况下，这些模式会导致声子发生明显的改变或移动。模态也改变了材料的相稳定性。这些变化会导致材料属性和行为的根本改变，这些改变可以调整和定制。

“中子散射表明，磁性形状记忆合金的冷却能力是由这些局部磁子-声子混合模式所包含的热量的三倍，这些模式是由于系统中的无序而形成的，”ORNL的迈克尔·曼利说，他是这项研究的领导者。“这一发现揭示了为社会需求制造更好的固态冷却材料的途径。”

探索无序物质相

研究小组研究的磁性形状记忆合金处于一种几乎形成无序状态的相，称为自旋玻璃和应变玻璃——不是我们熟悉的用于窗户和其他地方的玻璃，而是缺乏秩序的非常规物质相。与自旋玻璃相的原子相关的磁矩或微小磁体是随机定向的，而不是指向同一个方向。相比之下，在应变玻璃相中，原子晶格在纳米尺度上的应变是凌乱和不规则的。自旋玻璃和应变玻璃被称为材料中的挫折条件，因为它们是由相互竞争的相互作用或限制引起的，这些相互作用或限制使材料无法达到稳定的有序状态。

对蓄热和固态冷却的影响

曼利说:“当材料接近这种受挫状态时，储存的热量就会增加。”“长距离和短程相互作用表现为局部振动和自旋波，这意味着它们被困在小区域中。这很重要，因为这些额外的局域振动态可以储存热量。改变磁场会触发另一个相变，在这个相变中热量被释放出来。”

控制磁性形状记忆合金的功能，使其可以用作热海绵，这可能是一种不需要传统制冷剂或机械部件就能实现高效固态冷却的方法。

参考文献:Michael E. Manley, Paul J. Stonaha, Nickolaus M. Bruno, Ibrahim Karaman, Raymundo Arroyave, Songxue Chi, Douglas L. Abernathy, Matthew B. Stone, Yuri I. Chumlyakov和Jeffrey W. Lynn，《Science Advances》，2024年6月14日。DOI: 10.1126 / sciadv.adn2840

这项研究得到了美国能源部科学办公室材料科学与工程部的支持。该研究的一部分中子散射工作是在高通量同位素反应堆和散裂中子源上进行的，该中子源是美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施。美国商务部的国家标准与技术研究所也提供了中子研究设施。

点击分享到