科学家探索有前景的固态冷却材料的冷却行为

固态冷却是一种环保创新技术，可以有效地冷却日常生活中的许多物品，从食物到车辆再到电子产品，而无需传统的制冷剂液体和气体或移动部件。该系统将通过一个安静、紧凑和轻便的系统运行，可以精确控制温度。

尽管改进材料的发现和更高质量设备的发明已经有助于促进新冷却方法的发展，但对材料增强的更深入了解至关重要。研究小组使用一套中子散射仪器在原子尺度上检查了一种科学家认为是固态冷却最佳候选材料。

这种材料是一种镍钴锰铟磁性形状记忆合金，可以通过升温或施加磁场使其发生相变，从而变形并恢复到原来的形状。当受到磁场影响时，这种材料会发生磁性和结构相变，在此期间它会吸收和释放热量，这种行为称为磁热效应。在固态冷却应用中，这种效应可用于提供制冷。这种材料的一个关键特性是它接近无序状态，即所谓的铁性玻璃态，因为它们提供了一种增强材料储存和释放热量能力的方法。

磁振子（又称自旋波）和声子（又称振动）在材料中无序排列的原子组成的小区域中以同步舞蹈的方式耦合。研究人员发现，这些小区域中的行为模式（在团队详细介绍这项研究的论文中称为局部混合磁振子-声子模式）对材料的热性能具有重要意义。

科学家们发现，这些模式会导致声子因磁场的存在而发生显著改变或偏移。这些模式还会改变材料的相位稳定性。这些变化会导致材料属性和行为发生根本性变化，并且可以进行调整和定制。

“中子散射表明，由于系统中的无序性，这些局部磁振子-声子混合模式中所含的热量使磁性形状记忆合金的冷却能力提高了三倍，”ORNL 的研究负责人 Michael Manley 说道。“这一发现揭示了一条制造更好的固态冷却应用材料以满足社会需求的途径。”

研究小组研究的磁性形状记忆合金处于一种几乎形成无序状态的阶段，这种状态被称为自旋玻璃和应变玻璃——不是我们熟悉的用于窗户和其他用途的玻璃，而是缺乏秩序的非常规物质状态。自旋玻璃相中原子的磁矩或微小磁铁是随机取向的，而不是指向同一方向。相比之下，在应变玻璃相中，原子晶格在纳米尺度上以混乱和不规则的图案应变。自旋玻璃和应变玻璃被称为材料中的受挫状态，因为它们是由相互竞争的相互作用或约束引起的，这些相互作用或约束阻止材料实现稳定的有序状态。

“随着材料接近这种受挫状态，储存的热量会增加，”曼利说。“长程和短程相互作用表现为局部振动和自旋波，这意味着它们被困在小区域中。这很重要，因为这些额外的局部振动状态会储存热量。改变磁场会触发另一个相变，从而释放热量。”

控制磁性形状记忆合金的功能，使其用作热海绵，这可能是实现高效固态冷却的一种方法，而无需传统的制冷剂或机械部件。

这项研究得到了美国能源部科学办公室材料科学与工程部的支持。这项研究的部分中子散射工作是在高通量同位素反应堆和散裂中子源（美国能源部科学办公室位于 ORNL 的用户设施）进行的。美国商务部国家标准与技术研究所也提供了中子研究设施。