I dispositivi di raffreddamento a compressione che cambiano forma
Dopo aver perso la vista a causa del vaiolo nel 1759 all'età di 2 anni, John Gough sviluppò un accresciuto senso del tatto. Il naturalista in erba imparò presto a identificare le piante al tatto, toccandone i peli con il labbro inferiore e gli stami e i pistilli con la lingua. Così, quando da adulto allungò rapidamente un pezzo di gomma naturale e sentì il suo improvviso calore sul labbro – e la sua conseguente freschezza mentre si rilassava – ottenne quella che considerava la prova più diretta e convincente di un fenomeno curioso.
Descrisse le sue osservazioni nel 1802, fornendo la prima registrazione, almeno in inglese, di quello che oggi è noto come effetto elastocalorico. Fa parte di una categoria più ampia di effetti calorici, in cui alcuni trigger esterni – una forza, una pressione, un campo magnetico o elettrico – inducono un cambiamento nella temperatura di un materiale.
Ma gli effetti calorici sono diventati più di una curiosità.
Negli ultimi due decenni, i ricercatori hanno identificato materiali calorici sempre più potenti. L'obiettivo finale è costruire frigoriferi e condizionatori d'aria rispettosi dell'ambiente: i dispositivi di raffreddamento calorico non perdono refrigeranti nocivi, che possono essere migliaia di volte più potenti dell'anidride carbonica come gas serra. Ma dispositivi di raffreddamento migliori richiedono materiali migliori.
Più un materiale può cambiare la sua temperatura, più efficiente può essere. E nell'ultimo anno, i ricercatori hanno identificato due tipi unici di materiali che possono cambiare di una quantità senza precedenti. Uno risponde a una forza applicata, l'altro alla pressione. Sono entrambi capaci di variazioni di temperatura – "delta T" in breve – di ben 30 gradi Celsius o più.
"Chi avrebbe mai pensato che avresti ottenuto un materiale per darti un delta T di 30 da solo?" ha detto Ichiro Takeuchi , uno scienziato dei materiali presso l'Università del Maryland, College Park, che non faceva parte della nuova ricerca. "È enorme."
Vampata di calore
Gough non lo sapeva, ma quando ha allungato il suo pezzo di gomma più di due secoli fa, ha allineato le lunghe molecole all'interno. L'allineamento ha ridotto il disturbo nel sistema – disturbo misurato da una quantità chiamata entropia.
Secondo la seconda legge della termodinamica, l'entropia totale di un sistema chiuso deve aumentare, o almeno rimanere costante. Se l'entropia della configurazione molecolare della gomma diminuisce, l'entropia deve aumentare altrove.
In un pezzo di gomma come quello di Gough, l'aumento dell'entropia avviene nel movimento vibratorio delle molecole. Le molecole tremano e questo aumento del movimento molecolare si manifesta come calore, un calore apparentemente nascosto chiamato calore latente. Se la gomma viene tesa abbastanza velocemente, il calore latente rimane nel materiale e la sua temperatura sale.
Molti materiali hanno almeno un leggero effetto elastocalorico, riscaldandosi un po 'quando vengono schiacciati o allungati. Ma per raggiungere variazioni di temperatura abbastanza grandi da essere utili in un sistema di raffreddamento, il materiale avrebbe bisogno di una variazione di entropia corrispondente molto più grande.
I migliori materiali elastocalorici finora sono le leghe a memoria di forma. Funzionano a causa di un cambiamento di fase, simile al congelamento dell'acqua liquida in ghiaccio. In una fase, il materiale può deformarsi e rimanere deformato. Ma se aumenti il calore, la struttura cristallina della lega passa a una fase più rigida e torna alla forma che aveva prima (da cui il nome lega a memoria di forma).
Lo spostamento nella struttura cristallina tra queste due fasi provoca un cambiamento di entropia. Sebbene l'entropia sia correlata al disordine di un sistema, è descritta più precisamente come una misura del numero di configurazioni che un sistema può avere. Minore è il numero di configurazioni, minore è l'entropia. Pensa a uno scaffale di libri: c'è solo un modo per alfabetizzare i libri, ma molti modi per non essere alfabetizzati. Pertanto, uno scaffale di libri in ordine alfabetico è più ordinato e ha meno entropia.
In una lega a memoria di forma come il nichel-titanio, che ha mostrato uno dei maggiori effetti elastocalorici, la struttura cristallina della fase rigida è cubica. La fase flessibile forma romboidi, che sono cubi allungati simili a diamanti.
Questi romboidi hanno meno configurazioni possibili rispetto ai cubi. Considera che un quadrato rimarrà invariato se ruotato di quattro possibili angoli: 90, 180, 270 o 360 gradi. Un rombo, d'altra parte, avrà lo stesso aspetto solo dopo due di tali rotazioni: 180 e 360 gradi.
Poiché la fase flessibile ha meno configurazioni possibili, ha meno entropia. Quando una forza esterna spinge la lega mentre è nella sua fase rigida, il metallo passa alla sua fase flessibile, a bassa entropia. Come con la gomma di Gough, una caduta di entropia nella struttura del metallo richiede un aumento dell'entropia delle sue vibrazioni atomiche, che riscalda il materiale.
In un condizionatore d'aria o in un frigorifero, dovresti quindi rimuovere rapidamente questo calore mantenendo la lega nella sua fase flessibile ea bassa entropia. Una volta rimossa la forza, la lega ritorna alla sua fase rigida, con maggiore entropia. Ma perché ciò avvenga, la struttura atomica deve acquisire entropia dagli atomi vibranti della lega. Gli atomi vibrano di meno e, poiché tali vibrazioni sono semplicemente calore, la temperatura della lega diminuisce. Il metallo freddo può quindi raffreddare l'ambiente circostante.
I progressi su questi materiali sono stati costanti. Nel 2012, Takeuchi e colleghi hanno misurato una variazione di temperatura di 17 gradi Celsius nei fili di nichel-titanio. Tre anni dopo, Jaka Tušek dell'Università di Lubiana e altri hanno osservato un cambiamento di 25 gradi in fili simili.
Poi lo scorso anno, un gruppo con sede presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Pechino ha scoperto una nuova lega a memoria di forma di nichel-manganese-titanio, che vanta quello che hanno chiamato un cambiamento di temperatura "colossale" di 31,5 gradi. "Finora, questo materiale è il migliore", ha detto Antoni Planes , un fisico a stato solido dell'Università di Barcellona che faceva parte del team.
cosa lo rende così buono? Durante una transizione di fase, le leghe di nichel-manganese si restringono. Poiché il volume corrisponde al numero di possibili configurazioni atomiche del materiale, una riduzione del volume porta ad un'ulteriore riduzione dell'entropia. "Questo contributo extra è ciò che rende questo materiale interessante", ha detto Planes.
Raffreddare sotto pressione
Tuttavia, le leghe a memoria di forma hanno dei limiti. In particolare, se schiacci un pezzo di metallo più e più volte, il materiale si stancherà.
In parte per questo motivo, i ricercatori hanno anche perseguito materiali "barocalorici", che si riscaldano quando si applica la pressione. È lo stesso principio di base: la pressione induce un cambiamento di fase, abbassando l'entropia e riscaldando il materiale.
Un materiale interessante è il neopentilglicole, un tipo di cristallo di plastica. Questo materiale è morbido e deformabile, costituito da molecole legate in modo lasco in una struttura cristallina.
Le molecole di neopentilgilol sono rotonde e disposte in un reticolo tridimensionale. Interagiscono tra loro solo debolmente e possono ruotare in circa 60 orientamenti diversi. Ma applica una pressione sufficiente e le molecole si bloccano. Con meno configurazioni possibili, l'entropia del materiale diminuisce.
La morbidezza di un cristallo di plastica significa che schiacciandolo si riduce il suo volume, diminuendo ulteriormente l'entropia. "Poiché sono, in un certo senso, tra solido e liquido, possono mostrare cambiamenti più grandi nell'entropia quando si applica la pressione", ha detto Xavier Moya , un fisico allo stato solido presso l'Università di Cambridge.
L'anno scorso, due squadre hanno ottenuto i maggiori effetti barocalorici mai registrati. Nessuna delle due squadre ha misurato direttamente una variazione di temperatura, ma una squadra europea che includeva Planes e Moya ha riportato una variazione di entropia di 500 joule per chilogrammo per kelvin, la più grande mai vista per un solido, alla pari delle variazioni di entropia nei refrigeranti fluidi commerciali. Hanno calcolato un corrispondente cambiamento di temperatura di almeno 40 gradi. Un altro team con sede presso il laboratorio nazionale di scienza dei materiali di Shenyang in Cina ha riportato una variazione di entropia di 389 J / kg / K.
Ma rimangono molte sfide pratiche. Mentre i materiali barocalorici sono meno suscettibili alla fatica rispetto ai materiali elastocalorici, le nuove pietre miliari richiedevano pressioni colossali di migliaia di atmosfere. Tali pressioni richiedono anche che il materiale sia sigillato. "È difficile scambiare calore tra questo materiale e l'ambiente circostante se si sigilla l'intero sistema", ha detto Tušek.
In effetti, lo scambio di calore non è semplice, ha detto Moya. Ma sta lavorando ad alcuni sistemi proprietari per una società di refrigerazione barocalorica che ha co-fondato chiamata Barocal, che è finalista per il Global Cooling Prize, una competizione internazionale per trovare tecnologie di raffreddamento sostenibili. Takeuchi, nel frattempo, ha fondato Maryland Energy and Sensor Technologies nel 2009 per commercializzare il raffreddamento elastocalorico. I prodotti commerciali vengono sviluppati con leghe a memoria di forma a base di rame, che sono più morbide e non richiedono la stessa forza delle leghe di nichel-titanio.
Al contrario, Planes e il suo collaboratore di lunga data Lluís Mañosa si stanno concentrando sulla multicalorica, che risponde a più stimoli, come la forza e un campo magnetico. I dispositivi multicorici sarebbero probabilmente più complessi, ma più stimoli potrebbero portare a cambiamenti di entropia e temperatura ancora maggiori con maggiore efficienza. "Le prospettive per il futuro sono molto buone", ha detto Planes. "Ma per il momento siamo all'inizio."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/how-caloric-materials-cool-and-protect-the-environment-20200824/ in data Mon, 24 Aug 2020 15:00:19 +0000.