橡树岭国家实验室探索固态冷却材料的冷却行为 有望用于汽车

盖世汽车讯 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，比如食物、车辆和电子产品，而无需传统的制冷剂液体、气体或移动部件。通过安静、紧凑和轻量化的系统运行，该技术可以实现精确的温度控制。据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）领导的研究团队利用一套中子散射仪器，在原子尺度上检测了一种被视为固态冷却最佳选项的材料。

（图片来源：橡树岭国家实验室）

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。这种材料的关键特性在于其接近无序状态，即所谓的铁玻璃态，因为这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（或振动）在分布于构成材料的无序排列原子中的小区域中以同步舞蹈（synchronized dance）的方式耦合。研究人员发现，这些小区域中的行为模式（即局部混合磁振子-声子模式）对材料的热性能具有重要意义。这些模式会导致声子因磁场的存在而发生明显改变或偏移，还会改变材料的相位稳定性。而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。

研究负责人Michael Manley表示：“中子散射表明，这些局部磁振子-声子混合模式（由于系统中的无序性而形成）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。这一发现揭示了制造更好材料的途经，以实现社会需求的固态冷却应用。”

该团队研究的磁性形状记忆合金处于一种接近形成无序状态的相，这种状态被称为自旋玻璃态和应变玻璃态（这不是人们熟悉的玻璃，而是缺乏秩序的非常规物质相）。与自旋玻璃相中原子相关的磁矩或微小磁体为随机取向，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方式应变。自旋玻璃态和应变玻璃态被称为材料中的受挫状态，因为它们是由竞争性相互作用或约束引起的，而这些作用会阻止材料实现稳定的有序状态。

Manley表示：“随着材料接近受挫状态，储存的热量会增加。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。这十分重要，因为这些额外的局部振动态会储存热量。改变磁场会触发另一个相变，从而释放热量。”

总体而言，控制磁性形状记忆合金的功能，使其可以用作热海绵，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。