Non c'è bisogno di terre rare o di elio liquido! Materiale di raffreddamento criogenico composto esclusivamente da elementi abbondanti
Promette di essere applicato al raffreddamento nella risonanza magnetica medica e nei computer quantistici
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In collaborazione con l'Istituto Nazionale di Tecnologia (KOSEN), l'Oshima College, l'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali (NIMS) è riuscito a sviluppare un nuovo materiale rigeneratore composto esclusivamente da elementi abbondanti, come rame, ferro e alluminio, in grado di raggiungere temperature criogeniche (circa 4 K = -269°C o inferiori) senza utilizzare metalli di terre rare o elio liquido. Utilizzando una proprietà speciale chiamata "frustrazione" che si trova in alcuni materiali magnetici, dove gli spin non possono soddisfare simultaneamente gli orientamenti reciproci in un reticolo triangolare, il team ha dimostrato un metodo innovativo che sostituisce la tecnologia convenzionale di raffreddamento criogenico dipendente dalle terre rare. Il materiale sviluppato è promettente per rispondere alla mancanza di elio liquido e per essere applicato al raffreddamento stabile nella risonanza magnetica medica (MRI) e nei computer quantistici, per i quali si prevede un'ulteriore crescita della domanda. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica britannica Scientific Reports il 22 dicembre 2025.
Negli anni '60, i raffreddatori GM utilizzavano il piombo (Pb) come materiale per l'accumulo del freddo, ma negli anni '90 è stato introdotto il composto metallico di terre rare HoCu2 e le prestazioni di raffreddamento sono migliorate notevolmente. Il materiale per l'accumulo del freddo privo di terre rare CuFe0,98Al0,02O2 (CFAO), sviluppato in questo studio, ha una capacità di raffreddamento paragonabile a questi materiali e porta a tecnologie di raffreddamento criogenico sostenibili e rispettose dell'ambiente, poiché il materiale è composto esclusivamente da elementi abbondanti.
Noriki Terada, National Institute for Materials Science
Il contesto
La tecnologia di raffreddamento criogenico, utilizzata principalmente per la risonanza magnetica medica, ecc. ha il problema di dipendere fortemente dall'elio liquido e dagli elementi delle terre rare, che sono soggetti all'instabilità delle forniture e all'esaurimento delle risorse. Ad esempio, l'olmio, attualmente utilizzato nei materiali dei rigeneratori, ha una produzione annuale di sole 100 tonnellate e le sue riserve sono distribuite in modo disomogeneo. Pertanto, poiché si prevede che in futuro la domanda di raffreddamento criogenico aumenterà in modo significativo, è emersa la necessità di sviluppare una nuova tecnologia di raffreddamento che non dipenda da risorse così scarse.
Risultati chiave
In questo studio, un team di ricerca congiunto del NIMS e dell'Istituto Nazionale di Tecnologia (KOSEN), Oshima College, è riuscito a sviluppare un materiale rigeneratore per raffreddatori meccanici (raffreddatori Gifford-McMahon [GM]) in grado di raffreddare a temperature criogeniche senza utilizzare elio liquido, che non contiene elementi metallici delle terre rare e utilizza un materiale composto esclusivamente da elementi abbondanti, come rame, ferro e alluminio. Il team ha dimostrato che il materiale presenta un elevato calore specifico a temperature criogeniche nonostante sia un metallo di transizione, utilizzando un effetto noto come "frustrazione", che si riscontra specificamente nei materiali magnetici che hanno una speciale struttura cristallina chiamata reticolo triangolare, in cui gli orientamenti degli spin diventano difficili da allineare finché non raggiungono temperature criogeniche. Il materiale ha raggiunto prestazioni paragonabili a quelle dei materiali refrigeranti convenzionali contenenti terre rare (composti di olmio). È la prima volta che un materiale magnetico rigeneratore per raffreddatori che non utilizza elementi di terre rare mostra prestazioni di livello pratico.
Prospettive future
Il materiale di raffreddamento criogenico sviluppato in questo studio utilizza risorse abbondanti, rendendolo altamente sostenibile e rispettoso dell'ambiente. Pertanto, è promettente per l'applicazione al raffreddamento criogenico nella risonanza magnetica medica e nei computer quantistici, per i quali si prevede un'ulteriore crescita della domanda.
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