Sem necessidade de terras raras ou hélio líquido! Material de arrefecimento criogénico composto apenas por elementos abundantes
Aplicação promissora para arrefecimento em ressonância magnética médica e computadores quânticos
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Em colaboração com o Instituto Nacional de Tecnologia (KOSEN), o Colégio Oshima, o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais (NIMS) conseguiu desenvolver um novo material regenerador composto apenas por elementos abundantes, como o cobre, o ferro e o alumínio, que pode atingir temperaturas criogénicas (aprox. 4 K = -269°C ou menos) sem utilizar quaisquer metais de terras raras ou hélio líquido. Utilizando uma propriedade especial chamada "frustração" encontrada em alguns materiais magnéticos, em que os spins não podem satisfazer simultaneamente as orientações uns dos outros numa rede triangular, a equipa demonstrou um novo método que substitui a tecnologia convencional de arrefecimento criogénico dependente de terras raras. O material desenvolvido é promissor para responder à falta de hélio líquido, bem como para aplicação em arrefecimento estável em imagens médicas de ressonância magnética (MRI) e computadores quânticos, cuja procura deverá continuar a aumentar. O resultado desta investigação foi publicado na revista científica do Reino Unido, Scientific Reports, em 22 de dezembro de 2025.
Na década de 1960, os refrigeradores GM utilizavam chumbo (Pb) como material de armazenamento a frio, mas na década de 1990, foi introduzido o composto metálico de terras raras HoCu2 e o desempenho de arrefecimento melhorou drasticamente. Embora o material de armazenamento a frio isento de terras raras CuFe0.98Al0.02O2 (CFAO) desenvolvido neste estudo tenha uma capacidade de arrefecimento comparável a estes, conduz a tecnologias de arrefecimento criogénico sustentáveis e amigas do ambiente, uma vez que o material é composto apenas por elementos abundantes.
Noriki Terada, National Institute for Materials Science
Antecedentes
A tecnologia de arrefecimento criogénico, que tem sido utilizada principalmente na imagiologia médica por ressonância magnética, etc., tinha o problema de estar fortemente dependente do hélio líquido e de elementos de terras raras que estão sujeitos à instabilidade do aprovisionamento e a preocupações com o esgotamento dos recursos. Por exemplo, o hólmio, que é atualmente utilizado nos materiais regeneradores, tem uma produção anual de apenas 100 toneladas e as suas reservas estão distribuídas de forma desigual. Por conseguinte, como se espera que a procura de arrefecimento criogénico aumente significativamente no futuro, havia uma forte necessidade de desenvolver uma nova tecnologia de arrefecimento que não dependesse de recursos tão escassos.
Principais resultados
Neste estudo, uma equipa de investigação conjunta do NIMS e do Instituto Nacional de Tecnologia (KOSEN), Faculdade de Oshima, conseguiu desenvolver um material regenerador para refrigeradores mecânicos (refrigeradores Gifford-McMahon [GM]) capaz de arrefecer a temperaturas criogénicas sem utilizar hélio líquido, que não contém elementos metálicos de terras raras e utiliza um material composto apenas por elementos abundantes, como o cobre, o ferro e o alumínio. A equipa demonstrou que o material apresenta um elevado calor específico a temperaturas criogénicas apesar de ser um metal de transição, utilizando um efeito conhecido como "frustração", especificamente encontrado em materiais magnéticos que têm uma estrutura cristalina especial chamada rede triangular, onde as orientações de spin se tornam difíceis de alinhar até atingirem temperaturas criogénicas. O material atingiu um desempenho comparável ao dos materiais de arrefecimento convencionais que contêm terras raras (compostos de hólmio). Foi a primeira vez que um material regenerador magnético para refrigeradores que não utiliza elementos de terras raras apresentou um desempenho de nível prático.
Perspectivas futuras
O material de arrefecimento criogénico desenvolvido neste estudo utiliza recursos abundantes, o que o torna altamente sustentável e amigo do ambiente. Por conseguinte, é promissor para aplicação no arrefecimento criogénico em ressonâncias magnéticas médicas e computadores quânticos, cuja procura deverá continuar a crescer.
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Publicação original
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