Сотрудники Лаборатории новых магнитных материалов БФУ им. И. Канта исследуют магнитные материалы с фазовыми переходами для создания технологии твердотельного магнитного охлаждения при комнатной температуре. При помощи оригинальных методик были исследованы свойства неорганического соединения марганца и мышьяка (MnAs), которое демонстрирует гигантский магнитокалорический эффект при комнатных температурах.
Все мы знаем, что при поднесении магнита к некоторым металлам, они начинают притягиваться. Оказывается, металлические предметы при этом не только притягиваются, но ещё и нагреваются. Это происходит из-зa воздействия магнитного поля. Такое явление в физике называется магнитокалорическим эффектом (МКЭ). В проведённых учеными экспериментах образец соединения марганец-мышьяк максимально нагрелся на 15 ᶛС, а максимальное количество теплоты, выделяемое при этом, составило 9,5 Дж на 1 г вещества. Эти результаты были получены в сильном магнитном поле, которое примерно в 200 раз сильнее, чем у тех магнитиков, которые висят на наших холодильниках.
Александр Каманцев, сотрудник Лаборатории новых магнитных материалов БФУ им. И. Канта:
«Обе величины - изменение температуры и количество теплоты, полученные на нашем образце, на сегодняшний день являются рекордными для магнитного поля в 100 кЭ. Можно сказать, что соединение марганец-мышьяк одно из самых ярких кандидатов на роль рабочего тела в технологии твердотельного магнитного охлаждения при комнатной температуре. Кроме того, мы с коллегами занимались теоретическим описанием свойств магнитного фазового перехода, вблизи которого и наблюдается гигантский магнитокалорический эффект. Все полученные результаты, как теоретические, так и экспериментальные приближают нас к пониманию природы фазовых переходов в твёрдых телах, а также позволяют оценить перспективы создания эффективных магнитных холодильников на основе твердотельных материалов. Одновременно с исследованиями в физике фазовых переходов мы приближаемся к созданию эффективного магнитного холодильника. Ведь разные прототипы холодильников уже созданы, но они маломощные и низкоэффективные. Поэтому ведётся изучение свойств разных материалов, что бы понять какие лучше подходят по своим свойствам для такого применения».
Рис.1. Схематическое изображение процесса твердотельного магнитного охлаждения
Молодой ученый пояснил, что привычные для нас холодильники работают на газе — фреоне. Этот газ вредный: при попадании в атмосферу он создает парниковый эффект, а также является одной из причин разрушения озонового слоя.
«Наша конечная цель — заменить фреон на безопасный твердотельный материал, обладающий магнитокалорическим эффектом. Если в обычном холодильнике на фреоне мы используем цикл сжатия и расширения газа, то в магнитном холодильнике — цикл намагничивание и размагничивания магнитокалорического материала. Это будет экологичнее, безопаснее и даже эффективнее, КПД будет выше», — отметил Александр Каманцев.
Результаты исследования получены большим коллективом соавторов в широкой международной коллаборации. Сам образец для исследования и теоретическое описание его свойств были сделаны в Донецком физико-техническом институте, кристаллографические и структурные исследования выполнялись в МИСиС и Индийском технологического институте Мадраса, измерения в сильных магнитных полях проводились в Институте низких температур и структурных исследований во Вроцлаве, исследования термомагнитных свойств образца проводились в Институте радиотехники и электроники РАН и в Лаборатории новых магнитных материалов БФУ им. И. Канта. Такое сотрудничество позволило получить качественные, актуальные результаты и опубликовать статью в высокорейтинговом журнале «Journal of Alloys and Compounds».