Ученые улучшили стабильность и эффективность материалов для магнитного охлаждения

Исследователи из Германии и Японии сообщили о новом подходе к разработке магнито-калорических материалов, который позволяет одновременно повысить их охлаждающую способность и долговечность. Результаты работы направлены на решение главной технологической проблемы, сдерживающей коммерческое применение магнитного охлаждения как альтернативы компрессионным системам.

Ключевая проблема: необратимые потери в материале

Магнитное охлаждение использует эффект изменения температуры материала (например, на основе гадолиния) при наложении и снятии магнитного поля. Практическому внедрению мешает фундаментальный недостаток многих перспективных материалов: значительные необратимые потери энергии за счет гистерезиса.

Гистерезис в данном контексте — это «отставание» реакции материала при циклическом изменении магнитного поля, приводящее к рассеянию энергии в виде тепла и, как следствие, к постепенной деградации охлаждающей способности после множества циклов. Материалы с высоким охлаждающим эффектом часто имели большой гистерезис, а материалы с малым гистерезисом — слабый эффект.

Механизм решения: стабилизация структуры на атомном уровне

Группа ученых из Технического университета Дармштадта, Национального института материаловедения (NIMS) Японии и других институтов изучила соединение Gd5Ge4. Они установили, что гистерезис вызван микроскопическим структурным переходом — изменением длины связей между атомами германия — при каждом цикле намагничивания.

Для подавления этого нежелательного перехода исследователи применили точное легирование: часть атомов германия заменили на атомы олова (Sn). Это позволило управлять силой ковалентных связей, «закрепив» кристаллическую решетку и сделав процесс намагничивания полностью обратимым.

Результаты: двукратный рост эффективности

Модифицированный материал Gd5(Ge,Sn)4 показал следующие изменения:

• Обратимое адиабатическое изменение температуры (ΔT_ad) увеличилось с 3.8 К до 8.0 К.

• Необратимые потери (гистерезис) были сведены к минимуму, что гарантирует стабильность характеристик в ходе длительной работы.

Практическое значение

Оптимизированный материал эффективно работает в диапазоне ~40–160 K (-233°C … -113°C), что определяет его основную перспективу для применения в криогенной технике (системы сжижения водорода, гелия, природного газа).

Разработанная методика целенаправленного управления химическими связями создает основу для проектирования нового поколения стабильных и эффективных магнито-калорических материалов для различных температурных диапазонов.