Refrigeración multicalórica mejorada por interacciones multilocales
Teoría y experimentosMejorar la eficiencia y reducir la huella contaminante de los mecanismos de refrigeración actuales son una necesidad urgente para adaptarse al cambio climático y responder a las demandas de alta energía que nos enfrentamos en la actualidad.
Una solución a esta empresa es la utilización de materiales magnéticos que presenten grandes cambios de temperatura y entropía generados bajo la aplicación de estímulos externos. Este efecto, llamado efecto calórico, es la base de un campo de investigación innovador que aspira a crear nuevas tecnologías refrigerantes de estado sólido eficientes y respetuosas con el medio ambiente.
En las últimas décadas, la refrigeración basada en materiales magnéticos se ha convertido en un campo de investigador activo y prometedor. Sin embargo, esta tecnología todavía no es atractiva comercialmente, ya que requiere el uso de costosos imanes permanentes y muchos de los materiales magnéticos considerados sufren de fatiga mecánica cuando son sometidos a ciclos refrigerantes.
Este proyecto focaliza en una nueva vía para reducir drásticamente los costes y mejorar la vida útil del refrigerante: La utilización de materiales magnéticos que muestran simultáneamente efectos calóricos generados tanto por campos magnéticos como tensiones mecánicas, es decir, efectos multicalóricos. El objetivo es obtener la combinación óptima de estímulos magnéticos y mecánicos para crear un enfriamiento máximo.
El objetivo del proyecto MULTICALORICS es la investigación teórica y experimental de diferentes materiales magnéticos refrigerantes utilizando la aplicación de campos magnéticos y tensiones mecánicas
Concepto de la teoría del momento local desordenado (DLM) [1]. Cálculos de DFT restringidos magnéticamente a diferentes orientaciones magnéticas a escala atómica se utilizan para describir excitaciones térmicas. El sistema magnético está totalmente ordenado en el cero absoluto (a), en tanto que se desordena a medida que la temperatura aumenta (b,c).
La teoría funcional de la densidad (density functional theory, DFT) es actualmente una de las principales herramientas para la modelización de materiales desde primeros principios. Sin embargo, la versión estándar de DFT normalmente no incluye efectos de temperatura y, por tanto, encuentra dificultades a la hora de describir la termodinámica de los efectos (multi-)calóricos. En este proyecto utilizamos la teoría del momento local desordenado (DLM), uno de los pocos marcos teóricos existentes que expande DFT para modelar materiales magnéticos a temperatura finita desde primeros principios [1,2,3].
Las propiedades magnéticas de un sólido son dictaminadas por las interacciones magnéticas entre los átomos, las cuales dependen de sus posiciones y distancias dando lugar a fuertes acoplamientos del magnetismo con la estructura cristalina del material. Por esta razón, las vibraciones de los átomos causadas por excitaciones térmicas, es decir, los fonones, también pueden afectar al magnetismo y a consecuentes efectos calóricos. Sin embargo, la versión actual de nuestra herramienta computacional no incorpora esta interacción. Un objetivo principal del proyecto MULTICALORICS es el desarrollo de un nuevo método para calcular el effecto de los phonones en el magnetismo i la refrigeración calòrica.
Investigaciones previas a este proyecto han demostrado un potencial acoplamiento de los phonones con el magnetismo en los materiales Mn3AN, donde «A» puede ser una combinación de metales de transición y elementos semiconductores. Mn3AN es una famosa clase de materiales magnéticos gracias a sus efectos calóricos gigantescos y su posible manipulación mediante dopaje químico [4,5]. En el proyecto MULTICALORICS tenemos la ambición de predecir las mejores condiciones multicalóricas en estos materiales para su posterior análisis experimental en el grupo de materiales funcionales y transiciones de fase de la UB.
[1] B. Gyorffy et al., J. Phys. F: Metal Phys. 15, 1337 (1985)
[2] E. Mendive-Tapia and J. Staunton, Phys. Rev. B 99, 144424 (2019)
[3] E. Mendive-Tapia, J. Neugebauer, and T. Hickel, Phys. Rev. B 105, 064425 (2022)
[4] D. Matsunami et al., Nature Materials 14, 73 (2015)
[5] D. Boldrin, E. Mendive-Tapia et al., Phys. Rev. X 8, 041035 (2018)
MULTICALORICS está compuesto de tres tareas principales:
Comprensión y predicción de nuevos materiales multicalóricos mediante cálculos des de primeros principios.
Desarrollo de una nueva herramienta computacional que incluya el acoplamiento de los phonons con el magnetismo.
Creación de nuevos materiales multicalóricos y su estudio experimental.
MULTICALORICS focaliza en el desarrollo de nuevas herramientas computacionales para guiar experimentos en el entendimiento y descubrimiento de materiales multicalóricos con rendimiento superior
Si tienes interés en conocer más detalles sobre el proyecto MULTICALORICS y su aplicación, envía un correo a
e.mendive.tapia@ub.edu
Equipo de proyecto
Eduardo Mendive Tapia
Investigator Principal
Eduard Vives Santa-Eulalia
Coordinador e Investigator
Lluis Mañosa Carrera
Investigador
Enric Stern Taulats
Investigador
Colaboraciones
- Julie B. Staunton (university of Warwick, UK)
- Christopher E. Patrick (university of Oxford, UK)
- David Boldrin (university of Glasgow, UK)
- Jörg Neugebauer (Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Germany)
- Tilmann Hickel (Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Germany)
Publicaciones destacadas
Eduardo Mendive-Tapia, Christopher E. Patrick, Tilmann Hickel, Jörg Neugebauer, and Julie B. Staunton.
Quantification of electronic and magnetoelastic mechanisms of first-order magnetic phase transitions from first principles: application to caloric effects in La(FexSi1-x)13.
J. Phys. Energy 5, 034004 (2023)
Con el soporte de:
Proyecto MULTICALORICS – 101025767 financiado por:
