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Nuevos materiales para la refrigeración del futuro

 

 

03/12/2020

Recerca

Un equipo internacional de científicos de la Universidad de Barcelona, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad Técnica de Darmstadt ha publicado un artículo en la revista Applied Physics Reviews que muestra las posibilidades de implementar procesos de refrigeración más eficientes y respetuosos con el medio ambiente a partir de materiales multicalóricos. Con ese objetivo, los investigadores estudiaron la respuesta térmica de ciertas aleaciones al ser sometidas simultáneamente a campos magnéticos y esfuerzos mecánicos.

 

Hasta ahora, los investigadores estudiaban el conocido como efecto magnetocalórico, que se puede observar cuando ciertos metales y aleaciones están expuestos a un campo magnético: los materiales cambian espontáneamente su orden magnético y su temperatura, y eso los hace ser unos candidatos prometedores para dispositivos de refrigeración magnética. Más recientemente, se ha comprobado que es posible aumentar considerablemente este efecto en determinados materiales añadiendo simultáneamente otros estímulos, como un campo de esfuerzos o, más específicamente, una carga mecánica. Son los llamados materiales multicalóricos, de los que ya se conoce una pequeña gama.

El equipo que ha llevado a cabo esta investigación ha seleccionado una aleación especial de níquel, manganeso e indio como uno de los materiales más prometedores. Se trata de una aleación magnética con memoria de forma (shape memory). Ante un estímulo externo, como un campo magnético, el material se transforma de una estructura cristalina a otra, lo que da lugar a alteraciones considerables en dicho material. «La característica especial del compuesto seleccionado en este caso es que sus propiedades magnéticas también cambian bruscamente a la temperatura a la que cambian las estructuras cristalinas. Es decir, la estructura y el magnetismo están fuertemente acoplados», explica Lluís Mañosa, catedrático del Departamento de Física de la Materia Condensada y miembro del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB).

 

Un dispositivo de medición a medida

Para determinar las propiedades del material que son necesarias para un proceso de enfriamiento eficiente, el equipo de la Universidad de Barcelona tuvo que desarrollar primero un calorímetro único y especialmente diseñado que permitía la aplicación simultánea de un campo magnético y un esfuerzo en la muestra.

Con ese fin, los investigadores aprovecharon un método ya conocido en ensayos de materiales y lo adaptaron para sus objetivos, sometiendo la muestra a tensiones mecánicas uniaxiales. Aunque las densidades de flujo magnético oscilaban hasta 6 teslas (T), que es una densidad 120.000 veces más fuerte que la del campo magnético de la Tierra, el esfuerzo de compresión máximo aplicado fue de 50 megapascales. Para el tamaño de muestra dada, esa fuerza corresponde aproximadamente a una masa de 20 kilogramos.

«Eso significa que se puede aplicar este tipo de fuerza con una sola mano. Y este es el aspecto decisivo para futuras aplicaciones, porque estas cargas mecánicas son relativamente fáciles de implementar», apunta Mañosa. «Nuestro reto era integrar medidas precisas tanto del esfuerzo de compresión como de la deformación en el calorímetro sin distorsionar las condiciones de medida», añade.

Los investigadores registraron varios parámetros simultáneamente —como el cambio de temperatura, la densidad de flujo magnético, la tensión de compresión y la entropía de la aleación— durante las fases de enfriamiento y de calentamiento, programadas cerca de una temperatura específica a la que la red cristalina del material dado experimenta transformaciones que conducen a un cambio de magnetización. En la aleación utilizada, este proceso se produce en torno a la temperatura ambiente, lo que también es ventajoso para aplicaciones prácticas posteriores.

Las medidas representan el comportamiento de la muestra en un espacio de cuatro dimensiones. Mapear este espacio de forma significativa requiere una serie de experimentos que dan lugar a campañas de medición largas. La interacción de los diferentes estímulos en materiales multicalóricos no se ha investigado mucho hasta ahora. La aleación de níquel-manganeso-indio es el compuesto prototipo mejor investigado hasta el momento en cuanto a esta clase de materiales. El catedrático de la UB y también miembro del IN2UB Antoni Planes indica que «los resultados han demostrado que los ciclos que utilizan simultáneamente esfuerzos mecánicos y campo magnético presentan mejores prestaciones de cara a la refrigeración que aquellos que solo utilizan uno de estos estímulos».

Referencia del artículo:

A. Gràcia-Condal, T. Gottschall, L. Pfeuffer, O. Gutfleisch, A. Planes, L. Mañosa. «Multicaloric effects in metamagnetic heusler Ni-Mn-In under uniaxial stress and magnetic field», Applied Physics Reviews, 2020. Doi: 10.1063/5.0020755

 

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