محققان در چین نشان داده‌اند که اعمال کرنش به یک ماده کامپوزیتی با استفاده از میدان الکتریکی باعث ایجاد یک اثر کالری بزرگ و برگشت‌پذیر می‌شود. این روش جدید برای افزایش اثر کالری بدون میدان مغناطیسی می‌تواند راه‌های جدیدی برای خنک‌سازی حالت جامد بگشاید و به یخچال‌هایی با انرژی کارآمدتر و سبک‌تر منجر شود.
موسسه بین المللی تبرید تخمین می زند که ٪۱۰۰ از تمام الکتریسیته ای که در سطح جهان استفاده می شود صرف تبرید فشرده سازی بخار می شود - این فناوری در یخچال های معمولی و تهویه مطبوع استفاده می شود. علاوه بر این، مبردهای مورد استفاده در این سیستم ها گازهای گلخانه ای قدرتمندی هستند که به طور قابل توجهی به گرمایش جهانی کمک می کند. در نتیجه، دانشمندان در تلاش برای توسعه سیستم های تبرید سازگار با محیط زیست هستند.
سیستم های خنک کننده همچنین می توانند از سیستم های کاملاً جامد ساخته شوند، اما در حال حاضر نمی توانند با فشرده سازی بخار برای اکثر کاربردهای اصلی رقابت کنند. امروزه اکثر سیستم های خنک کننده تجاری حالت جامد از اثر پلتیه استفاده می کنند که یک فرآیند ترموالکتریک است که از هزینه بالا و راندمان پایین رنج می برد.
زمینه های خارجی
سیستم‌های خنک‌کننده حالت جامد مبتنی بر مواد کالری، هم راندمان تبرید بالا و هم آلاینده‌های گلخانه‌ای صفر را ارائه می‌کنند و به عنوان نامزدهای امیدوارکننده‌ای برای جایگزینی فناوری فشرده‌سازی بخار ظاهر می‌شوند. این سیستم‌ها از یک ماده جامد به عنوان مبرد استفاده می‌کنند که وقتی تحت یک میدان خارجی (الکتریکی، مغناطیسی، کرنش یا فشار) قرار می‌گیرد، دچار تغییر دما می‌شود - پدیده‌ای به نام اثر کالری.
تا کنون، بیشتر تحقیقات در مورد سیستم های خنک کننده کالری حالت جامد بر روی مبردهای مغناطیسی متمرکز شده است. با این حال، مبردهای عملی باید اثر کالری قابل توجهی در نزدیکی دمای اتاق از خود نشان دهند و چنین موادی معمولاً به سختی یافت می شوند. یکی از مواد بالقوه منگنز است3SnC، که هنگام قرار گرفتن در معرض میدان های مغناطیسی بزرگتر از 2 T اثر کالری قابل توجهی را نشان می دهد. اما استفاده از چنین میدان مغناطیسی بالایی نیاز به استفاده از آهنرباهای گران قیمت و حجیم دارد که عملی نیست.
اکنون، پنگ وو و همکارانش در دانشگاه شانگهای تک، موسسه ریزسیستم و فناوری اطلاعات شانگهای، دانشگاه آکادمی علوم چین و دانشگاه جیائوتنگ پکن با ترکیب منگنز نیاز به آهنربا را از بین برده اند.3لایه SnC با یک لایه پیزوالکتریک از تیتانات زیرکونات سرب (PZT).
از بین بردن آهنرباها
در مجموعه ای از آزمایشات شرح داده شده در Acta Materialia, این تیم یک اثر کالری برگشت پذیر را بدون نیاز به میدان مغناطیسی مشاهده کردند. تغییر دمای آدیاباتیک به دست آمده حدود دو برابر اندازه گیری شده برای منگنز بود3SnC در حضور میدان مغناطیسی 3 T.
اثر کالری با اعمال میدان الکتریکی به ماده مشاهده شد که از طریق اثر پیزوالکتریک معکوس باعث ایجاد فشار در PZT می‌شود. کرنش از لایه PZT به منگنز منتقل می شود3لایه SnC، که منجر به تغییر در نظم مغناطیسی منگنز می شود3SnC. این باعث کاهش دما تا 0.57 کلوین در ماده می شود. هنگامی که میدان الکتریکی حذف می شود، دما به همان مقدار افزایش می یابد.
وو می گوید دنیای فیزیک او این ایده را از سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) گرفته است، که اغلب از مواد پیزوالکتریک برای تحریک استفاده می‌کنند. به گفته وو، استفاده از فشار میدان الکتریکی می‌تواند به رفع نیاز به آهنرباهای پرهزینه و بزرگ کمک کند و یک سیستم تبرید کارآمدتر و پایدار ایجاد کند.
اندازه گیری چالش برانگیز
اثر کالری یا با تخمین تغییر آدیاباتیک دما یا تغییر آنتروپی همدما اندازه گیری می شود. هم در صنعت و هم در تحقیقات، تغییر دما روش ارجح است. در حالی که این یک آزمایش ساده برای مواد توده خالص است، انجام آن برای یک ماده کامپوزیتی مبتنی بر دستگاه که در معرض میدان الکتریکی است بسیار دشوار است.
"اثر الاستوکالری عظیم" می تواند به یخچال های بهتر منجر شود
برای انجام این اندازه گیری، وو و همکارانش از یک سیستم مجهز به یک کاوشگر ترموکوپل متصل به منگنز استفاده کردند.3سطح SnC در یک محیط آدیاباتیک با میدان مغناطیسی و دما دقیقاً کنترل شده است.
محققان برای ارزیابی دقت سیستم اندازه‌گیری خود، چندین اندازه‌گیری اثر مغناطیسی کالری را در محدوده دمایی 275 تا 290 کلوین انجام دادند. آنها توانستند تغییرات دما را تا 0.03 کلوین کنترل کنند، بنابراین ظرفیت دمایی با وضوح بالا سیستم را تأیید کردند.
وو معتقد است که با توجه به چالش انجام اندازه‌گیری دمای آدیاباتیک در حین اعمال ولتاژ به PZT، کار این تیم پیشرفتی در اندازه‌گیری مستقیم تغییر دما است. او می افزاید: "این رویکرد اندازه گیری دما می تواند برای سایر دستگاه های الکترونیکی حرارتی مفید باشد." با این حال، وو تأکید می کند که «سیستم کاملاً آدیاباتیک نیست. ممکن است باعث اتلاف گرما شود، از این رو بهبود بیشتر برای هر اندازه گیری گرما ضروری است.
جالب و بدون توضیح
این تیم همچنین پدیده های بسیار جالب و غیرمنتظره ای را در طول اندازه گیری دما مشاهده کردند. مهم نیست که میدان الکتریکی مثبت یا منفی اعمال شود، دمای سطح منگنز3وو می گوید SnC همیشه کاهش می یابد. محققان همچنین دریافتند که با اعمال میدان مغناطیسی به کامپوزیت، دمای سطح منگنز3SnC افزایش می یابد، در حالی که اعمال میدان الکتریکی برعکس عمل می کند و باعث کاهش دما می شود. وو می گوید که تیم هنوز این مشاهدات را درک نکرده است.
اکنون هدف محققان مطالعه فیزیک اساسی در پشت رفتار متضاد منگنز است3SnC/PZT تحت میدان های مغناطیسی و الکتریکی. برای بهبود بیشتر سیستم اندازه گیری دما، آنها همچنین در تلاش هستند تا مشکل اتلاف حرارت را نیز حل کنند.
