El comportamiento escalofriante de un material prometedor para la refrigeración de estado sólido intriga a los científicos.

Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha colmado una laguna de conocimiento en el movimiento térmico a escala atómica. Esta nueva comprensión promete mejorar los materiales para avanzar en una tecnología emergente llamada refrigeración de estado sólido.

La refrigeración de estado sólido, una innovación ecológica, podría enfriar eficientemente muchas cosas de la vida diaria, desde alimentos hasta vehículos y electrónica, sin los líquidos y gases refrigerantes tradicionales o las piezas móviles. El sistema funcionaría mediante un sistema silencioso, compacto y ligero que permite un control preciso de la temperatura.

Aunque el descubrimiento de materiales mejorados y la invención de dispositivos de mayor calidad ya están ayudando a promover el crecimiento del nuevo método de refrigeración, una comprensión más profunda de las mejoras en los materiales es esencial. El equipo de investigación utilizó un conjunto de instrumentos de dispersión de neutrones para examinar a escala atómica un material que los científicos consideran un candidato óptimo para su uso en refrigeración de estado sólido.

El material, una aleación de forma de memoria magnética de níquel-cobalto-manganeso-indio, se puede deformar y luego volver a su forma original haciéndola pasar por una transición de fase, ya sea aumentando la temperatura o aplicando un campo magnético. Cuando se somete a un campo magnético, el material experimenta una transición de fase magnética y estructural, durante la cual absorbe y libera calor, un comportamiento conocido como efecto magnetocalórico. En las aplicaciones de refrigeración de estado sólido, el efecto se aprovecha para proporcionar refrigeración. Una característica clave del material es su proximidad a las condiciones desordenadas conocidas como estados vítreos ferroicos, porque presentan una forma de mejorar la capacidad del material para almacenar y liberar calor.

Los magnones, también conocidos como ondas de espín, y los fonones, o vibraciones, se acoplan en una danza sincronizada en pequeñas regiones distribuidas a través de la disposición desordenada de átomos que componen el material. Los investigadores descubrieron que los patrones de comportamiento en estas pequeñas regiones, denominados modos híbridos magnón-fonón localizados en el artículo que detalla la investigación del equipo, tienen implicaciones importantes para las propiedades térmicas del material.

Los científicos revelaron que los modos provocan que los fonones se vean alterados significativamente o desplazados por la presencia de un campo magnético. Los modos también modifican la estabilidad de fase del material. Estos cambios pueden resultar en alteraciones fundamentales en las propiedades y el comportamiento del material que se pueden ajustar y adaptar.

“La dispersión de neutrones muestra que la capacidad de enfriamiento de la aleación de forma de memoria magnética se triplica por el calor contenido dentro de estos modos híbridos localizados magnón-fonón que se forman debido al desorden en el sistema”, dijo Michael Manley, de ORNL, líder del estudio. “Este hallazgo revela una vía para hacer mejores materiales para aplicaciones de refrigeración de estado sólido para las necesidades de la sociedad”.

La aleación de forma de memoria magnética que estudió el equipo se encuentra en una fase que casi ha formado condiciones desordenadas conocidas como vidrio de espín y vidrio de tensión, no el vidrio familiar que se usa en ventanas y otros lugares, sino más bien fases de la materia no convencionales que carecen de orden. Los momentos magnéticos, o pequeños imanes, asociados con los átomos en la fase de vidrio de espín están orientados aleatoriamente en lugar de apuntar en la misma dirección. Comparativamente, en la fase de vidrio de tensión, la red de átomos se deforma a escala nanométrica en un patrón desordenado e irregular. El vidrio de espín y el vidrio de tensión se conocen como condiciones frustradas en un material porque surgen de interacciones o restricciones competitivas que impiden que el material alcance un estado estable ordenado.

“A medida que el material se acerca a este estado frustrado, aumenta la cantidad de calor que se almacena”, dijo Manley. “Las interacciones de largo y corto alcance se manifiestan como vibraciones y ondas de espín localizadas, lo que significa que quedan atrapadas en pequeñas regiones. Esto es importante porque estos estados vibracionales localizados adicionales almacenan calor. El cambio del campo magnético desencadena otra transición de fase en la que este calor se libera”.

Controlar las funciones de la aleación de forma de memoria magnética para que pueda usarse como una esponja de calor podría ser una forma de permitir una refrigeración eficiente de estado sólido sin la necesidad de refrigerantes tradicionales o componentes mecánicos.

Este estudio fue apoyado por la División de Ciencias e Ingeniería de Materiales de la Oficina de Ciencias del DOE. Una parte del trabajo de dispersión de neutrones para esta investigación se llevó a cabo en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo y la Fuente de Neutrones por Espalación, instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del Departamento de Comercio también proporcionó instalaciones de investigación con neutrones.