Refroidissement magnétique : un effet géant et une durabilité améliorée

Une équipe de recherche conjointe du NIMS, de l’Institut de technologie de Kyoto (KIT), de l’Institut de recherche sur le rayonnement synchrotron du Japon (JASRI), de l’Université de Hyogo, de l’Université de Tohoku et de l’Université technique de Darmstadt a développé une nouvelle approche de conception des matériaux qui réalise un effet de refroidissement géant et une excellente durabilité dans les matériaux de refroidissement magnétique dont la température change lorsqu’un champ magnétique est activé ou désactivé.

L’équipe a découvert qu’en contrôlant précisément la chimie des liaisons covalentes dans la maille élémentaire, il est possible de remodeler le paysage énergétique de la transition de phase, éliminant ainsi l’hystérésis et les pertes d’énergie irréversibles associées. Sur la base de cette découverte, l’équipe a réalisé une combinaison rare d’effet de refroidissement géant et d’excellente stabilité cyclique.

Contexte

Le refroidissement par compression de vapeur conventionnel, utilisé dans les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs, soulève des préoccupations environnementales car il repose sur des réfrigérants à fortes émissions de gaz à effet de serre. Comme alternative prometteuse, le refroidissement magnétique a attiré l’attention car il peut fonctionner sans ces réfrigérants. Cette technologie utilise des matériaux magnétocaloriques dont la température change lorsqu’un champ magnétique est activé ou désactivé. Cependant, les progrès dans le refroidissement magnétique ont longtemps été confrontés à un dilemme fondamental : un compromis entre un effet de refroidissement géant et la durabilité. Dans les matériaux qui présentent un effet de refroidissement géant, les pertes d’énergie liées à l’hystérésis conduisent typiquement à une dégradation des performances, rendant difficile le maintien de l’effet géant en conditions opérationnelles (c’est-à-dire une faible stabilité cyclique).  Inversement, lorsque les matériaux sont conçus pour supprimer ces pertes et atteindre une bonne stabilité cyclique, l’ampleur de l’effet de refroidissement est souvent réduite, compromettant les performances de refroidissement au profit de la durabilité (un déclin de l’effet de refroidissement).

Principales découvertes

L’équipe de recherche a développé une approche de conception des matériaux pour les composés intermétalliques qui peut supprimer les pertes d’énergie irréversibles en ajustant précisément la liaison covalente par contrôle de la composition. Pour démontrer cette approche, l’équipe s’est concentrée sur un composé intermétallique Gd₅Ge₄, composé de Gd (gadolinium) et Ge (germanium). Le composé Gd₅Ge₄ est un matériau de réfrigération magnétique qui s’échauffe lorsqu’un champ magnétique est appliqué, lorsque les spins du Gd s’alignent. Cet ordre magnétique est couplé à une transition structurelle (c’est-à-dire un changement des paramètres de maille), de sorte que la structure cristalline diffère entre les deux phases (illustrée par les sphères Gd de couleurs différentes dans la figure). La transition structurelle change également la longueur de liaison entre les atomes de Ge (sphères marron dans la figure) qui relient les deux plaques dans la structure, ce qui contribue à l’hystérésis et à la dégradation des performances pendant les cycles répétés.

Dans ce travail, l’équipe a ajusté la covalenté en substituant partiellement les atomes de Ge par des atomes de Sn (étain), supprimant ainsi les changements de distance entre les plaques pendant la transition. En conséquence, le matériau a maintenu une forte réponse de refroidissement sous cyclage répété, et le changement de température adiabatique réversible a donné une augmentation de deux fois, passant de 3,8 K à 8 K. Cette réalisation améliore à la fois l’effet de refroidissement magnétique et sa durabilité, offrant une voie pratique vers des réfrigérants magnétiques performants et durables.

Perspectives futures

Parce que les matériaux magnétocaloriques développés dans cette recherche opèrent dans la gamme de températures cryogéniques et présentent des caractéristiques bien adaptées à la liquéfaction de l’hydrogène, ils sont susceptibles de soutenir les technologies de l’hydrogène liquide à faible impact environnemental. De plus, l’équipe a proposé un nouveau concept de conception pour les matériaux magnétocaloriques qui permet d’atteindre simultanément des performances souhaitables et une durabilité.  À l’avenir, l’équipe étendra cette approche à d’autres composés et élargira son champ d’application à un plus large éventail de technologies de refroidissement et de liquéfaction de gaz.

Article : Control of Covalent Bond Enables Efficient Magnetic Cooling – Journal : Advanced Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : NIMS