Новый сплав перевернёт представление о холодильниках

Необычный состав, созданный специалистами из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) и Центра нейтронных исследований (Center for Neutron Research), однажды может привести к появлению холодильных устройств, намного более экономичных, чем сегодняшние, при этом бесшумных и экологически безупречных.

Учёные давно пробуют принести в быт магнетокалорический эффект, задействованный до сих пор лишь в специфических промышленных процессах и лабораторных опытах. Заключается он в том, что некоторые материалы при приложении внешнего магнитного поля существенно нагреваются. Если затем дать им остыть за счёт сброса тепла в окружающую среду, а после этого — выключить поле, данные материалы резко снижают температуру. Она становится намного ниже начальной точки.

В этой фазе они могут забрать тепло от охлаждаемого предмета и снова вернуться к средней температуре, чтобы начать цикл заново. Повторение таких циклов способно привести к заметному охлаждению нужного объекта. И потенциально этот цикл может обладать существенно лучшим КПД, чем газовый (испарение/конденсация), используемый в традиционных холодильниках.


Проблема в том, что большинство магнетокалорических материалов, способных действовать при комнатной температуре, используют в своём составе чрезвычайно редкий и дорогой металл гадолиний и/или ядовитый мышьяк. Потому физики не прекращают поиск новых "композиций" с желаемыми свойствами.

И если в прошлой подобной работе учёным удалось получить магнетокалорический полимер (чей диапазон работы, правда, годится для охлаждения чипов, но не мяса в морозилке), то нынешние герои создали уникальный сплав. Это смесь марганца, железа, фосфора и германия, которая при определённой структуре демонстрировала мощный отклик на внешнее поле.

Исследователи варьировали соотношение ингредиентов и нашли, что наибольший магнетокалорический эффект достигается при составе Mn1,1Fe0,9(P0,8Ge0,2). Численно этот эффект (изменение энтропии) превосходил 74 Дж/кг*К, что существенно больше прежних достижений.

Данный состав — первый, показывающий столь экстремальный магнетокалорический эффект при комнатной температуре (что и требуется для холодильников, к примеру), да к тому же — не использующий ни мышьяк, ни гадолиний.

Просвечивание состава нейтронным пучком показало, что в момент приложения или выключения поля в образце происходит не только смена ферромагнитной и парамагнитной фазы, но и кардинальная смена кристаллической структуры, что может объяснять высокую эффективность состава.

При этом нейтронная рефракция также показала неравномерное распределение германия по образцу, что снижало эффект в целом. Потому при условии оптимизации материала и более равномерного его намагничивания от этой же самой смеси можно будет добиться и более 100 Дж/кг*K, убеждены исследователи, опубликовавшие свою статью в Physical Review B.