En el diario Reseñas de física aplicada , un equipo de investigación internacional de la Universidad de Barcelona, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), y TU Darmstadt informan sobre las posibilidades de implementar procesos de refrigeración más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Para este propósito, investigaron los efectos de exponer simultáneamente ciertas aleaciones a campos magnéticos y estrés mecánico.

En el pasado, Los investigadores estaban preocupados principalmente por el conocido efecto magnetocalórico, que se puede observar cuando ciertos metales y aleaciones se exponen a un campo magnético:los materiales cambian espontáneamente su orden magnético así como su temperatura, lo que los convierte en candidatos prometedores para circuitos de refrigeración magnéticos. "Recientemente se ha descubierto que podemos potenciar este efecto considerablemente en determinados materiales añadiendo simultáneamente otros estímulos, como un campo de fuerza, o más específicamente, una carga mecánica, "dice el Dr. Tino Gottschall del Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) en HZDR, describiendo el enfoque del equipo. Ya se conoce una pequeña gama de tales materiales multicóricos.

El equipo de investigación seleccionó una aleación especial de níquel-manganeso-indio como uno de los materiales más prometedores para sus experimentos. Es una de las aleaciones magnéticas con "memoria de forma", cuya memoria es el resultado de la transformación de dos redes cristalinas diferentes:si hay un estímulo externo, como un campo magnético, estas estructuras se transforman entre sí, resultando en alteraciones notables en el material, por ejemplo, los cambios de forma claramente perceptibles no son infrecuentes. La característica especial del compuesto seleccionado es, sin embargo, que a una cierta temperatura a la que cambian las estructuras cristalinas, las propiedades magnéticas del compuesto también cambian abruptamente:la estructura y el magnetismo están fuertemente acoplados.

Un dispositivo de medición a medida

Para determinar las propiedades del material que son necesarias para un proceso de enfriamiento eficiente, el equipo de Barcelona primero tuvo que desarrollar una Calorímetro especialmente diseñado para medir el calor y que permite la aplicación simultánea de un campo magnético y presión a la muestra. Para hacer esto, los científicos aprovecharon un método familiar de pruebas de materiales y lo adaptaron para sus propósitos, sometiendo la muestra a un esfuerzo mecánico uniaxial.

Mientras que las densidades de flujo magnético oscilaron hasta 6 Tesla, que es 120, 000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra, la tensión de compresión máxima aplicada fue de 50 megapascales moderados. Para el tamaño de muestra dado, esa fuerza corresponde aproximadamente a una masa de 20 kilogramos. "Se puede aplicar este tipo de presión a mano. Y ese es el aspecto decisivo para futuras aplicaciones, debido a que estas cargas mecánicas manejables son relativamente fáciles de implementar, "explica el profesor Lluís Mañosa de la Universidad de Barcelona, y agregó:"El desafío para nosotros fue integrar mediciones precisas tanto de la tensión de compresión como de la deformación en nuestro calorímetro sin distorsionar las condiciones de medición".

Se busca:control de procesos para aplicaciones prácticas

Evaluar los resultados obtenidos fue bastante complejo. Los investigadores registraron varios parámetros simultáneamente, como el cambio de temperatura, densidad de flujo magnético, estrés compresivo, y la entropía de la aleación durante las fases de enfriamiento y calentamiento programadas cerca de una temperatura específica a la cual el material dado experimenta transformaciones en la red cristalina que conducen a un cambio en la magnetización. En la aleación utilizada, este proceso ocurre a temperatura ambiente, lo que también es ventajoso para una aplicación práctica posterior.

Las medidas trazan el comportamiento de la muestra en un espacio de cuatro dimensiones. Mapear este espacio de una manera significativa requiere una serie de experimentos, resultando en campañas de medición a gran escala. Para el profesor Oliver Gutfleisch de TU Darmstadt, el esfuerzo vale la pena:"La interacción de los diferentes estímulos en materiales multicalóricos apenas se ha investigado hasta ahora. Nuestra aleación de níquel-manganeso-indio es el compuesto prototipo mejor investigado en esta clase de materiales hasta la fecha. Nuestro trabajo ha llenado algunos espacios en blanco en su mapa de propiedades ".

Ahora, los científicos pueden evaluar de manera pragmática el beneficio de la carga de presión adicional, un objetivo de investigación central del Proyecto de subvención avanzada de ERC Cool Innov. En un ciclo de enfriamiento con imanes permanentes de neodimio disponibles comercialmente, la eficiencia de enfriamiento podría duplicarse aplicando simultáneamente un campo de fuerza. El equipo asume que el nuevo proceso también será de gran valor cuando se busquen otros materiales de enfriamiento prometedores para el futuro.