Il materiale barocalorico ad alta densità energetica potrebbe consentire dispositivi di raffreddamento a stato solido più piccoli e leggeri
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Un gruppo di ricercatori dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido, dell'Istituto di Scienze Fisiche di Hefei dell'Accademia delle Scienze cinese, ha scoperto un effetto barocalorico ad alta densità energetica nel conduttore superionico plastico Ag₂Te₁₋ₓSₓ.
Conduttore superionico plastico Ag₂Te₁₋ₓSₓ
TONG Peng
"Questo materiale mostra prestazioni barocaloriche volumetriche di gran lunga superiori a quelle della maggior parte dei materiali inorganici conosciuti", ha dichiarato il Prof. TONG Peng, che ha guidato il team, "La sua alta densità di energia lo rende adatto a dispositivi di raffreddamento più piccoli e leggeri".
I risultati sono stati pubblicati online su Advanced Functional Materials .
La refrigerazione moderna si basa principalmente su sistemi a compressione di vapore, che utilizzano refrigeranti a effetto serra e sono già vicini al limite di efficienza. La refrigerazione barocalorica - che raffredda applicando una pressione ai materiali solidi - offre un'alternativa più pulita e potenzialmente più efficiente. Tuttavia, un fattore chiave per i dispositivi reali, la variazione volumetrica dell'entropia, non è stato ben considerato.
Attraverso una simulazione a elementi finiti, il team ha scoperto che la riduzione delle dimensioni del contenitore aumenta la sua capacità di sopportare la pressione, consentendo così una riduzione dello spessore delle pareti e ottenendo una riduzione secondaria del peso. Ciò evidenzia la necessità di materiali ad alta densità energetica, ma la maggior parte dei materiali barocalorici conosciuti non è ancora all'altezza.
In questo studio, il team si è concentrato su una soluzione solida densa, Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Gli esperimenti hanno dimostrato che, a una pressione moderata di soli 70 MPa, il materiale produce una variazione volumetrica reversibile dell'entropia di 0,478 J-cm-³-K-¹, il valore più alto finora riportato per qualsiasi materiale barocalorico inorganico. La sua forza barocalorica, pari a 6,82 mJ-cm-³-K-¹-MPa-¹, supera anche la maggior parte dei sistemi inorganici e batte persino noti materiali organici come il neopentilglicole.
I dati di diffrazione neutronica rivelano cosa determina questa risposta termica insolitamente forte. Quando si applica una pressione, il materiale subisce un passaggio strutturale da una fase cubica a una monoclina, accompagnato da una variazione del volume del reticolo di circa il 5,4%. Allo stesso tempo, la diffusione degli ioni d'argento all'interno della struttura cambia bruscamente, amplificando ulteriormente l'effetto calorico.
Il materiale mostra anche diversi vantaggi pratici. Conduce relativamente bene il calore ed è altamente deformabile, consentendo di modellarlo in pellet di dimensioni millimetriche o in fogli sottili che possono scambiare efficacemente il calore. Anche dopo forti deformazioni, rapidi cambiamenti di temperatura e ripetuti cicli di pressione, le prestazioni barocaloriche rimangono stabili, un importante segno di affidabilità per le future tecnologie di raffreddamento a stato solido.
Questo lavoro introduce una nuova piattaforma di materiali che combina effetti barocalorici volumetrici giganti, buona lavorabilità meccanica e conducibilità termica relativamente elevata, offrendo nuove possibilità per le tecnologie di raffreddamento verdi di prossima generazione.
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