Μια συνεργατική ερευνητική ομάδα από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, στα Hefei Institutes of Physical Science της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, ανακάλυψε ένα υψηλής ενεργειακής πυκνότητας βαροκαλορικό φαινόμενο στον πλαστικό υπεριοντικό αγωγό Ag₂Te₁₋ₓSₓ.
Ο καθηγητής Τονγκ Πενγκ, επικεφαλής της ομάδας, δήλωσε ότι το υλικό παρουσιάζει βαροκαλορική απόδοση πολύ μεγαλύτερη από τις περισσότερες γνωστές ανόργανες ενώσεις και ότι η υψηλή ενεργειακή του πυκνότητα το καθιστά κατάλληλο για μικρότερες και ελαφρύτερες συσκευές ψύξης.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Advanced Functional Materials.
Βαροκαλορική ψύξη ως εναλλακτική λύση
Η σύγχρονη ψύξη βασίζεται κυρίως σε συστήματα συμπίεσης ατμών, τα οποία χρησιμοποιούν ψυκτικά με υψηλό δυναμικό θερμοκηπίου και έχουν σχεδόν φτάσει τα όρια της απόδοσής τους.
Η βαροκαλορική ψύξη – η ψύξη μέσω άσκησης πίεσης σε στερεά υλικά – αποτελεί μια πιο καθαρή και ενδεχομένως πιο αποδοτική εναλλακτική.
Ωστόσο, ένας κρίσιμος παράγοντας για πραγματικές εφαρμογές, η ογκομετρική μεταβολή εντροπίας, δεν έχει μελετηθεί επαρκώς.
Με χρήση προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων, η ομάδα έδειξε ότι η μείωση του μεγέθους του δοχείου αυξάνει τη δυνατότητα αντοχής στην πίεση, επιτρέποντας μικρότερες επιφάνειες τοιχώματος και συνεπώς ελάφρυνση του συνολικού βάρους. Αυτό αναδεικνύει την ανάγκη για υλικά υψηλής ενεργειακής πυκνότητας – τομέας όπου τα περισσότερα βαροκαλορικά υλικά υστερούν.
Σημαντικά επιτεύγματα με το υλικό Ag₂Te₁₋ₓSₓ
Στη μελέτη αυτή, η ομάδα επικεντρώθηκε στο πυκνό στερεό διάλυμα Ag₂Te₁₋ₓSₓ.
Τα πειράματα έδειξαν ότι υπό μέτρια πίεση μόλις 70 MPa, το υλικό εμφανίζει αντιστρεπτή ογκομετρική μεταβολή εντροπίας 0.478 J·cm⁻³·K⁻¹ – την υψηλότερη τιμή που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα για ανόργανο βαροκαλορικό υλικό.
Η βαροκαλορική του ισχύς, 6.82 mJ·cm⁻³·K⁻¹·MPa⁻¹, υπερβαίνει επίσης τις περισσότερες ανόργανες ενώσεις και ξεπερνά ακόμη και γνωστά οργανικά υλικά, όπως το νεοπεντυλογλυκόλη.
Ο μηχανισμός πίσω από την ισχυρή θερμική απόκριση
Δεδομένα νετρονικής περίθλασης αποκάλυψαν τον μηχανισμό πίσω από αυτή την ασυνήθιστα ισχυρή θερμική συμπεριφορά. Όταν εφαρμόζεται πίεση, το υλικό μεταβαίνει από κυβική σε μονοκλινική φάση, με μεταβολή του όγκου του πλέγματος περίπου 5.4%.
Ταυτόχρονα, η διάχυση των αργυρούχων ιόντων μέσα στη δομή αλλάζει δραστικά, ενισχύοντας περαιτέρω το θερμικό (καλορικό) αποτέλεσμα.
Πρακτικά πλεονεκτήματα και μελλοντικές εφαρμογές
Το υλικό παρουσιάζει και αρκετά πρακτικά πλεονεκτήματα. Έχει σχετικά καλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλή παραμορφωσιμότητα, επιτρέποντας να διαμορφωθεί σε σφαιρίδια χιλιοστών ή λεπτά φύλλα για αποδοτική ανταλλαγή θερμότητας.
Ακόμη και μετά από βαριά παραμόρφωση, απότομες θερμοκρασιακές μεταβολές και επαναλαμβανόμενους κύκλους πίεσης, η βαροκαλορική απόδοση παραμένει σταθερή – στοιχείο κρίσιμο για μελλοντικές τεχνολογίες στερεάς κατάστασης στην ψύξη.
Νέες δυνατότητες για πράσινες τεχνολογίες ψύξης
Το έργο αυτό παρουσιάζει μια νέα πλατφόρμα υλικών που συνδυάζει τεράστιες ογκομετρικές βαροκαλορικές επιδράσεις, καλή μηχανική επεξεργασιμότητα και σχετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα.
Αποτελεί πολλά υποσχόμενο θεμέλιο για την επόμενη γενιά πράσινων τεχνολογιών ψύξης.
Περισσότερες πληροφορίες: Keke Liu et al, Κολοσσιαία βαροθερμική αντοχή σε πλαστικό Ag₂Te₁₋ₓSₓ με υψηλής πυκνότητας, προηγμένα λειτουργικά υλικά (2025). DOI: 10.1002/adfm.202519224
Πληροφορίες περιοδικού: Προηγμένα Λειτουργικά Υλικά
Παρέχεται από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
