Холодильники, работающие на наших кухнях, охлаждают продукты за счет расхода энергии на работу насосов, сжимающих газы-хладагенты, такие как фреон. Некоторые ученые и инженеры хотели бы заменить такие энергетически неэффективные компрессоры и создать холодильники, которые использовали бы для охлаждения магнитные материалы с низким потреблением энергии.
AlFe2B2 представляет собой слоистый сплав, который проявляет магнитокалорический эффект при температуре, близкой к комнатной. Структура нового материала образована цепочками атомов бора (синие), связанных в блоки за счет атомов железа (красные), разделенных слоями атомов алюминия (серые). (Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 2013, DOI: 10.1021/ja404107p)
Эти исследователи находятся в поиске практичных материалов, демонстрирующих магнитокалорический эффект – способность вещества нагреваться и охлаждаться вод воздействием магнитного поля. Исследователям из Университета Флориды удалось продемонстрировать, что недорогие бориды переходных металлов демонстрируют магнитокалорический эффект в магнитных полях небольшой напряженности.
Материал, демонстрирующий магнитокалорический эффект, обычно нагревается при приложении магнитного поля и охлаждается, когда воздействие поле прекращается – такое происходит из-за структурных перестроений магнитных доменов материала – выстраивания их в соответствии с направлением магнитного поля при его наличии и разупорядочивания при его отсутствии.
В 1997 Карл Гшнайднер (Karl A. Gschneidner Jr.) с коллегами продемонстрировал первый материал, способный проявлять значительный магнитокалорический эффект при комнатной температуре. К сожалению, для того, чтобы новое соединение, состоящее из гадолиния, кремния и германия (Gd5Si2Ge2) охлаждалось существенно, необходимо магнитное поле высокой напряженности, создаваемое электромагнитами, а также для его изготовления требуются дорогие редкоземельные элементы.
С момента того открытия специалисты в области наук о материалах начали охоту на магнитокалорики, которые могли бы работать при относительно небольшой напряженности магнитного поля, создаваемого сильными постоянными магнитами – такие системы требовали бы гораздо меньше энергии для полноценной работы из-за того, что для их работы не требовалось бы питание электромагнита.
Майкл Шатрук (Michael Shatruk) из Университета Флориды отмечает, что во время охоты за новыми материалами, никто не обращал внимание на бориды, хотя наиболее сильные постоянные магниты изготавливают из боридов неодима и железа. Первоначально Шатрук предположил, что магнитокалорический эффект может проявляться у производных неодима, однако догадка не подтвердилась – было обнаружено, что магнитокалорический эффект (правда, проявляющийся при температуре около 300°C). Результаты компьютерного моделирования позволяли предположить, что введение в новые системы алюминия могут понизить температуру проявления магнитокалорического эффекта до приемлемой температуры.
Для проверки предсказаний исследовали из группы Шатрука с помощью дуговой плавки синтезировали соединение AlFe2B2, после проведения дуговой плавки требовалось использование кислоты для удаления загрязнений. В поисках более экологически чистого способа синтеза нового материала исследователи также разработали метод получения AlFe2B2 в расплавленном галлии, при получении нового материала таким способом стадию очистки можно исключить.
По словам Шатрука, материал демонстрирует отличный магнитокалорический эффект – при и температуре около 34°C и магнитном поле с напряженностью 2 Тесла (это лишь немногим больше, чем поле, которое создается постоянными магнитами, материал поглощает 88 Дж энергии на килограмм.
Открытый в 1997 году Gd5Si2Ge2 пока еще демонстрирует более сильный магнитокалориметрический эффект – в аналогичных условиях один килограмм этого материала поглощает 126 Дж, однако Шатрук отмечает, что результаты работы демонстрируют перспективность дальнейшего изучения борсодержащих магнитокалориков, добавляя, что по сравнению со ставшим отправной точкой производным Gd5Si2Ge2 новая система состоит из более дешевых компонентов, да и может быть получена в результате более простых и дешевых операций.
Источник: J. Am. Chem. Soc. 2013, DOI: 10.1021/ja404107p
