Магнитное охлаждение привлекает внимание как эффективный способ охлаждения чувствительных научных инструментов. Этот метод охлаждения использует магнитокалорический эффект, при котором внешнее магнитное поле контролирует температуру магнитного материала.
Эффективные магнитные хладагенты часто сложно приготовить, но теперь Энди Хор из Института исследований и инженерии материалов A * STAR и Национального университета Сингапура и его коллеги создали мощный магнитный хладагент, который легко сделать в лаборатории.
Соединения с большим магнитокалорическим эффектом обычно содержат атомы с множеством неспаренных электронов, каждый из которых генерирует свой крошечный магнитный момент. Во время магнитного охлаждения внешнее магнитное поле вынуждает эти атомные магнитные моменты выстраиваться в одном направлении.
По мере того, как магнетизм атомов становится более упорядоченным (что снижает энтропию системы), температура материала повышается.
Как только тепло отводится текущей жидкостью или газом, внешнее магнитное поле уменьшается. Это позволяет атомным магнитным моментам снова стать неупорядоченными, охлаждая материал, чтобы его можно было использовать для отвода тепла от инструмента перед повторением цикла.
В магнитных хладагентах обычно используется ион гадолиния (III) (Gd3 +), поскольку он имеет семь неспаренных электронов. Большинство комплексов гадолиния производятся в суровых условиях или образуются очень долго, что ограничивает их более широкое применение. Напротив, магнитный хладагент, разработанный Хором и его коллегами, удивительно прост в изготовлении.
Исследователи просто смешали ацетат гадолиния, ацетат никеля и органическую молекулу 2- (гидроксиметил) пиридин в органическом растворителе при комнатной температуре.
Через 12 часов эти химические вещества собрались в агрегат, в основе которого лежит кубическая структура атомов (см. Изображение).
Команда измерила, как внешнее магнитное поле влияет на этот «кубический» материал при падении температуры. При температуре ниже 50 К они обнаружили, что намагниченность материала резко возросла, что позволяет предположить, что при температуре ниже этой температуры он может быть эффективным магнитным хладагентом.
Затем ученые проверили влияние изменения внешнего магнитного поля при очень низких температурах. Они обнаружили, что в 4.5 К, большое внешнее поле вызвало изменение энтропии, которое было близко к теоретическому максимуму для системы – и больше, чем у большинства других магнитных хладагентов в аналогичных условиях.
По словам команды, магнитокалорический эффект магнитных хладагентов обычно усиливается за счет создания все более крупных кластеров атомов металлов. Напротив, их кубан показывает, что гораздо более простые агрегаты, приготовленные в простых условиях, перспективны в качестве магнитных хладагентов.