Festkörperkühlung entschlüsselt Interessante Eigenschaften eines Festkörper-Kühlmaterials

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Ein Forschungsteam unter der Leitung des Oak Ridge National Laboratory hat eine Wissenslücke bei der Wärmebewegung im atomaren Maßstab geschlossen. Dieses neue Verständnis ist vielversprechend für die Verbesserung von Materialien, die eine neue Technologie namens Festkörperkühlung voranbringen.

Die Festkörperkühlung könnte eine revolutionäre, umweltfreundliche Methode zur Kühlung von Lebensmitteln, Fahrzeugen und Elektronik sein – ohne Kühlflüssigkeiten, Gase oder bewegliche Teile. Diese Technologie basiert auf neuen Materialien, die effizient Wärme abführen und eine präzise Temperaturregelung ermöglichen. Ein Forscherteam untersucht diese Materialien auf atomarer Ebene mithilfe von Neutronenstreuungsinstrumenten, um deren Eignung für die Festkörperkühlung zu bestätigen. Der Erfolg hängt von der Verbesserung der Materialeigenschaften ab, die diese Systeme leise, kompakt und energiesparend machen könnten.

Flexible Formen

Das Material, eine magnetische Nickel-Kobalt-Mangan-Indium-Formgedächtnislegierung, kann verformt werden und anschließend in seine ursprüngliche Form zurückkehren, indem es entweder durch Erhöhung der Temperatur oder durch Anlegen eines Magnetfelds in einen Phasenübergang versetzt wird.

Wenn das Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird, durchläuft es einen magnetischen und strukturellen Phasenübergang, bei dem es Wärme absorbiert und abgibt, ein Verhalten, das als magnetokalorischer Effekt bekannt ist. In Festkörperkühlanwendungen wird dieser Effekt zur Kühlung genutzt. Eine Schlüsseleigenschaft des Materials ist seine Nähe zu ungeordneten Zuständen, die als ferroische Glaszustände bekannt sind, da sie eine Möglichkeit darstellen, die Wärmespeicherung und Wärmeabgabe des Materials zu verbessern.

Magnonen, die auch als Spinwellen bezeichnet werden, und Phononen oder Vibrationen führen in kleinen Regionen, die über die ungeordnete Anordnung der Atome verteilt sind, aus denen das Material besteht, einen synchronisierten Tanz auf.

Die Forscher fanden heraus, dass die Verhaltensmuster in diesen kleinen Regionen, die in der Forschungsarbeit des Teams als lokalisierte hybride Magnonen-Phononen-Moden bezeichnet werden, wichtige Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften des Materials haben.

Maßgeschneidertes Verhalten

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Moden dazu führen, dass die Phononen durch das Vorhandensein eines Magnetfelds erheblich verändert oder verschoben werden. Die Moden verändern auch die Phasenstabilität des Materials. Diese Veränderungen können zu grundlegenden Änderungen der Eigenschaften und des Verhaltens des Materials führen, die abgestimmt und maßgeschneidert werden können.

„Die Neutronenstreuung zeigt, dass die Kühlkapazität der magnetischen Formgedächtnislegierung durch die Wärme, die in diesen lokalen Magnon-Phonon-Hybridmoden enthalten ist, die sich aufgrund der Unordnung im System bilden, verdreifacht wird“, sagte Michael Manley vom ORNL, der Leiter der Studie. „Diese Erkenntnis zeigt einen Weg auf, um bessere Materialien für Festkörperkühlungsanwendungen für den gesellschaftlichen Bedarf zu entwickeln.“

Die magnetische Formgedächtnislegierung, die das Team untersuchte, befindet sich in einer Phase, in der sich fast ungeordnete Zustände gebildet haben, die als Spin-Glas und Dehnungsglas bekannt sind. Dabei handelt es sich nicht um das vertraute Glas, das in Fenstern und anderswo verwendet wird, sondern eher unkonventionelle Phasen der Materie, denen es an Ordnung fehlt.

Die magnetischen Momente oder winzigen Magnete, die mit den Atomen in der Spin-Glas-Phase verbunden sind, sind zufällig ausgerichtet und zeigen nicht in dieselbe Richtung. Im Vergleich dazu ist das Gitter der Atome in der Dehnungsglasphase auf der Nanometerskala in einem unordentlichen und unregelmäßigen Muster verformt.

Vorteil des frustrierten Materialzustand

Spin-Glas und Dehnungsglas werden als frustrierte Zustände in einem Material bezeichnet, weil sie durch konkurrierende Wechselwirkungen oder Zwänge entstehen, die das Material daran hindern, einen stabilen geordneten Zustand zu erreichen.

„Je mehr sich das Material diesem frustrierten Zustand nähert, desto größer wird die gespeicherte Wärmemenge“, so Manley. „Wechselwirkungen mit langen und kurzen Reichweiten manifestieren sich als lokalisierte Schwingungen und Spinwellen. Das bedeutet, dass sie in kleinen Regionen gefangen werden. Dies ist wichtig, weil diese zusätzlichen lokalisierten Schwingungszustände Wärme speichern. Eine Änderung des Magnetfelds löst einen weiteren Phasenübergang aus, bei dem diese Wärme freigesetzt wird.“

Die Steuerung der Funktionen der magnetischen Formgedächtnislegierung, sodass sie als Wärmeschwamm verwendet werden kann, könnte eine Möglichkeit sein, eine effiziente Festkörperkühlung ohne herkömmliche Kühlmittel oder mechanische Komponenten zu ermöglichen.

Diese Studie wurde vom DOE Office of Science Materials Sciences and Engineering Division unterstützt. Ein Teil der Neutronenstreuung für diese Forschung wurde am High Flux Isotope Reactor und der Spallation Neutron Source, Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science am ORNL, durchgeführt. Das National Institute of Standards and Technology des Oak Ridge National Laboratory stellte ebenfalls Neutronenforschungseinrichtungen zur Verfügung.

UT-Battelle verwaltet das ORNL für das Office of Science des DOE. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der physikalischen Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Lösung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. (sb)

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