Dans la revue Examens de physique appliquée , une équipe de recherche internationale de l'Université de Barcelone, le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), et TU Darmstadt font rapport sur les possibilités de mettre en œuvre des procédés de réfrigération plus efficaces et respectueux de l'environnement. Dans ce but, ils ont étudié les effets de l'exposition simultanée de certains alliages à des champs magnétiques et à des contraintes mécaniques.

Autrefois, les chercheurs se sont principalement intéressés à l'effet magnétocalorique bien connu, ce qui peut être observé lorsque certains métaux et alliages sont exposés à un champ magnétique :Les matériaux changent spontanément leur ordre magnétique ainsi que leur température, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les circuits de refroidissement magnétiques. "Il a été récemment découvert que nous pouvons augmenter considérablement cet effet dans certains matériaux en ajoutant simultanément d'autres stimuli, comme un champ de force, ou plus précisément, une charge mécanique, " déclare le Dr Tino Gottschall du High Magnetic Field Laboratory (HLD) du HZDR, décrivant l'approche de l'équipe. Une petite gamme de tels matériaux multicaloriques est déjà connue.

L'équipe de recherche a sélectionné un alliage spécial nickel-manganèse-indium comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour leurs expériences. C'est l'un des alliages magnétiques "à mémoire de forme", dont la mémoire est le résultat de la transformation de deux réseaux cristallins différents :S'il y a un stimulus externe, comme un champ magnétique, ces structures se transforment les unes dans les autres, entraînant des altérations notables dans le matériau, par exemple, des changements de forme clairement perceptibles ne sont pas rares. La particularité du composé sélectionné est, cependant, qu'à une certaine température à laquelle les structures cristallines changent, les propriétés magnétiques du composé changent aussi brutalement :structure et magnétisme sont fortement couplés.

Un appareil de mesure sur mesure

Afin de déterminer les propriétés des matériaux nécessaires à un processus de refroidissement efficace, l'équipe de Barcelone a d'abord dû développer un calorimètre spécialement conçu pour mesurer la chaleur et qui permet l'application simultanée d'un champ magnétique et d'une pression à l'échantillon. Pour faire ça, les scientifiques ont exploité une méthode familière des tests de matériaux et l'ont adaptée à leurs besoins, soumettre l'échantillon à une contrainte mécanique uniaxiale.

Alors que les densités de flux magnétique allaient jusqu'à 6 Tesla, qui est 120, 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre, la contrainte de compression maximale appliquée était de 50 mégapascals modérés. Pour la taille d'échantillon donnée, cette force correspond à peu près à une masse de 20 kilogrammes. « On peut appliquer ce genre de pression à la main. Et c'est l'aspect décisif pour les applications futures, parce que de telles charges mécaniques gérables sont relativement faciles à mettre en œuvre, " explique le professeur Lluís Mañosa de l'Université de Barcelone, ajoutant :"Le défi pour nous était d'intégrer des mesures précises de la contrainte de compression et de la déformation dans notre calorimètre sans fausser les conditions de mesure."

Recherché :contrôle de processus pour une application pratique

L'évaluation des résultats obtenus était assez complexe. Les chercheurs ont enregistré plusieurs paramètres simultanément, comme le changement de température, densité de flux magnétique, contrainte de compression, et l'entropie de l'alliage pendant les phases programmées de refroidissement et de chauffage près d'une température spécifique à laquelle le matériau donné subit des transformations dans le réseau cristallin qui conduisent à un changement de magnétisation. Dans l'alliage utilisé, ce processus se produit à température ambiante, ce qui est également avantageux pour une application pratique ultérieure.

Les mesures tracent le comportement de l'échantillon dans un espace à quatre dimensions. Cartographier cet espace de manière significative nécessite une série d'expériences, résultant en des campagnes de mesures à grande échelle. Pour le professeur Oliver Gutfleisch de la TU Darmstadt, l'effort en vaut la peine :« L'interaction des différents stimuli dans les matériaux multicaloriques n'a guère été étudiée jusqu'à présent. Notre alliage nickel-manganèse-indium est le composé prototype le mieux étudié dans cette classe de matériaux à ce jour. des taches vides sur sa carte de propriété."

Maintenant, les scientifiques peuvent évaluer de manière pragmatique les avantages d'une charge de pression supplémentaire, un objectif de recherche central du projet ERC Advanced Grant Cool Innov. Dans un cycle de refroidissement avec des aimants permanents en néodyme disponibles dans le commerce, l'efficacité de refroidissement pourrait être doublée en appliquant simultanément un champ de force. L'équipe suppose que le nouveau procédé sera également d'une grande valeur lors de la recherche d'autres matériaux de refroidissement prometteurs pour l'avenir.