Uma equipe de pesquisa liderada pelo Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia preencheu uma lacuna de conhecimento sobre movimento de calor em escala atômica. Esse novo entendimento é promissor para aprimorar materiais para avançar uma tecnologia emergente chamada resfriamento de estado sólido. As descobertas foram publicadas no periódico Science Advances.

Uma inovação amiga do ambiente, o arrefecimento de estado sólido pode arrefecer eficazmente muitas coisas na vida quotidiana, desde alimentos a veículos e electrónica – sem os tradicionais líquidos e gases refrigerantes ou peças móveis. O sistema funcionaria através de um sistema silencioso, compacto e leve que permite um controle preciso da temperatura.

Embora a descoberta de materiais melhorados e a invenção de dispositivos de maior qualidade já estejam a ajudar a promover o crescimento do novo método de arrefecimento, é essencial uma compreensão mais profunda das melhorias dos materiais. A equipe de pesquisa usou um conjunto de instrumentos de dispersão de nêutrons para examinar em escala atômica um material que os cientistas consideram um candidato ideal para uso no resfriamento de estado sólido.

O material, uma liga magnética com memória de forma de níquel-cobalto-manganês-índio, pode ser deformado e depois retornado à sua forma original, conduzindo-o através de uma transição de fase, seja pelo aumento da temperatura ou pela aplicação de um campo magnético. Quando submetido a um campo magnético, o material passa por uma transição de fase magnética e estrutural, durante a qual absorve e libera calor, comportamento conhecido como efeito magnetocalórico.

Em aplicações de resfriamento de estado sólido, o efeito é aproveitado para fornecer refrigeração. Uma característica chave do material é a sua proximidade a condições desordenadas conhecidas como estados vítreos ferroicos, porque apresentam uma forma de aumentar a capacidade do material de armazenar e liberar calor.

Magnons, também conhecidos como ondas de spin , e fônons, ou vibrações, acoplam-se em uma dança sincronizada em pequenas regiões distribuídas pelo arranjo desordenado de átomos que compõem o material. Os pesquisadores descobriram que os padrões de comportamento nessas pequenas regiões, chamados de modos híbridos magnon-fônons localizados no artigo da equipe que detalha a pesquisa, têm implicações importantes para as propriedades térmicas do material.

Os cientistas revelaram que os modos fazem com que os fônons sejam significativamente alterados ou deslocados pela presença de um campo magnético. Os modos também modificam a estabilidade de fase do material. Essas mudanças podem resultar em alterações fundamentais nas propriedades e no comportamento do material que podem ser ajustadas e adaptadas.

"A dispersão de nêutrons mostra que a capacidade de resfriamento da liga magnética de memória de forma é triplicada pelo calor contido dentro desses modos híbridos magnon-fônon locais que se formam por causa da desordem no sistema", disse Michael Manley, do ORNL, o líder do estudo. "Essa descoberta revela um caminho para fazer melhores materiais para aplicações de resfriamento de estado sólido para necessidades sociais."

A liga magnética com memória de forma que a equipe estudou está em uma fase que quase formou condições desordenadas conhecidas como vidro de spin e vidro de deformação — não o vidro familiar usado em janelas e outros lugares, mas fases não convencionais da matéria que carecem de ordem. Os momentos magnéticos, ou pequenos ímãs, associados aos átomos na fase do vidro de spin são orientados aleatoriamente em vez de apontar na mesma direção.

Comparativamente, na fase de vidro de deformação, a rede de átomos é deformada na escala nanométrica em um padrão bagunçado e irregular. Vidro de deformação e vidro de deformação são chamados de condições frustradas em um material porque surgem de interações ou restrições concorrentes que impedem o material de atingir um estado ordenado estável.

"À medida que o material se aproxima desse estado frustrado, a quantidade de calor armazenado aumenta", disse Manley. "As interações de longo e curto alcance se manifestam como vibrações localizadas e ondas de spin, o que significa que ficam presas em pequenas regiões. Isso é importante porque esses estados vibracionais extra localizados armazenam calor. A mudança no campo magnético desencadeia outra transição de fase na qual isso o calor é liberado."

Controlar as funções da liga magnética com memória de forma para que ela possa ser usada como uma esponja de calor pode ser uma maneira de permitir um resfriamento eficiente do estado sólido sem a necessidade de refrigerantes tradicionais ou componentes mecânicos.