2 세의 나이에 1759 년에 스몰 포스에게 시력을 잃은 후 John Gough는 손길이 높아졌습니다. 신진 자연 주의자는 곧 느낌으로 식물을 식별하는 법을 배웠고, 하부 입술로 머리카락을 만지고 혀로 수술과 암스트암을 만졌습니다. 그래서 성인으로서 그는 천연 고무 조각을 빨리 뻗어 입술에 갑자기 따뜻함을 느꼈습니다.
그는 1802 년에 그의 관찰을 설명했으며, 최소한 영어로 최소한의 엘라스토 칼로 릭 효과로 알려진 기록을 제공했다. 이는 더 넓은 범주의 칼로리 효과의 일부이며, 일부 외부 트리거 (힘, 압력, 자기 또는 전기장)는 재료의 온도의 변화를 유발합니다.
.그러나 칼로리 효과는 호기심 이상이되었습니다.
지난 수십 년 동안 연구원들은 점점 더 강력한 칼로리 재료를 확인했습니다. 궁극적 인 목표는 환경 친화적 인 냉장고와 에어컨을 만드는 것입니다. 칼로리 냉각 장치는 유해한 냉장 장치를 누출하지 않으며, 이는 온실 가스로 이산화탄소보다 수천 배 더 강력 할 수 있습니다. 그러나 더 나은 냉각 장치에는 더 나은 재료가 필요합니다.
재료가 더 많은 온도를 변화시킬수록 더 효율적일 수 있습니다. 그리고 작년에 연구원들은 전례없는 양으로 바꿀 수있는 두 가지 독특한 유형의 재료를 확인했습니다. 하나는 적용된 힘에 반응하고 다른 하나는 압력에 반응합니다. 둘 다 섭씨 30도 이상의 극적인 30 도의 온도 변화 (짧은 델타 T”가 가능합니다.
"누가 당신에게 30 명의 델타 T를 줄 자료를 얻을 것이라고 생각했을까요?" College Park의 메릴랜드 대학교 (University of Maryland)의 재료 과학자 인 Ichiro Takeuchi는 새로운 연구에 참여하지 않았다고 말했다. “엄청난 일입니다.”
핫 플래시
Gough는 그것을 알지 못했지만 2 세기 전에 고무 조각을 뻗을 때 긴 분자를 내부에 정렬했습니다. 정렬은 시스템의 장애를 줄였습니다 - 엔트로피라고 불리는 수량으로 측정 한 장애
열역학 제 2 법칙에 따르면 폐쇄 시스템의 총 엔트로피는 증가하거나 최소한 일정하게 유지되어야합니다. 고무 분자 구성의 엔트로피가 감소하면 엔트로피가 다른 곳에서 증가해야합니다.
Gough 's와 같은 고무 조각에서, 엔트로피의 증가는 분자의 진동 운동에서 발생합니다. 분자는 흔들리고 분자 운동의 증가는 열로 나타납니다. 고무가 충분히 빨리 뻗어 있으면 잠복 열이 재료에 머무르고 온도가 올라갑니다.
많은 재료는 적어도 약간의 엘라스토 레코 릭 효과를 가지고 있으며, 압착되거나 늘어날 때 조금 워밍업합니다. 그러나 냉각 시스템에 유용 할 정도로 충분히 큰 온도 변화에 도달하려면 재료는 엔트로피의 훨씬 더 큰 변화가 필요합니다.
지금까지 최고의 탄성 소재 물질은 모양 메모리 합금입니다. 그들은 얼음으로 얼어 붙는 액체 물과 유사하게 위상 변화로 인해 작동합니다. 한 단계에서 재료는 뒤틀리고 뒤틀릴 수 있습니다. 그러나 열을 크랭크하면 합금의 결정 구조는보다 단단한 단계로 전환되고 이전에 있었던 모양으로 되돌아갑니다 (따라서 이름 모양 메모리 합금).
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이 두 상 사이의 결정 구조의 이동은 엔트로피 변화를 유발합니다. 엔트로피는 시스템 장애와 관련이 있지만 시스템이 가질 수있는 구성 수의 척도로 더 정확하게 설명되어 있습니다. 구성이 적을수록 엔트로피가 줄어 듭니다. 책의 선반에 대해 생각해보십시오. 책이 알파벳순으로 만들 수있는 방법은 하나 뿐이지 만 알파벳순으로 만들 수있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 따라서, 알파벳 화 된 책의 선반은 더 질서 정연하고 엔트로피가 적다.
니켈-티타늄과 같은 형상 메모리 합금에서 가장 큰 엘라스토 칼로 릭 효과 중 하나를 보여준 강성상의 결정 구조는 입방입니다. 유연한 위상은 다이아몬드와 같은 길쭉한 큐브 인 롬보이드를 형성합니다.
이 라모드는 큐브보다 가능한 구성이 적습니다. 90, 180, 270 또는 360도의 네 가지 각도를 통해 회전하면 사각형이 변경되지 않음을 고려하십시오. 반면에 마름모꼴은 두 번의 회전 후에 만 동일하게 보일 것입니다 :180과 360도.
유연한 단계는 가능한 구성이 적기 때문에 엔트로피가 적습니다. 외부 힘이 단단한 단계에있는 동안 합금을 밀어 내면 금속은 유연한 낮은 entropy 단계로 전이됩니다. Gough의 고무와 마찬가지로 금속 구조의 엔트로피 강하는 원자 진동의 엔트로피가 증가해야하므로 재료를 가열합니다.
에어컨이나 냉장고에서는 합금을 유연한 낮은 엔트로피 단계로 유지 하면서이 열을 빠르게 제거해야합니다. 힘이 제거되면 합금은 단단하고 높은 엔트로피 단계로 돌아갑니다. 그러나 이런 일이 일어나려면 원자 구조는 합금의 진동 원자에서 엔트로피를 획득해야합니다. 원자는 덜 진동하며, 이러한 진동은 단순히 열이기 때문에 합금의 온도가 떨어집니다. 차가운 금속은 주변 환경을 식힐 수 있습니다.
이 재료의 진보는 꾸준히 진행되었습니다. 2012 년 Takeuchi와 동료들은 니켈 티타늄 와이어에서 섭씨 17 도의 온도 변화를 측정했습니다. 3 년 후, Ljubljana 대학의 Jaka Tušek과 다른 사람들은 비슷한 전선에서 25 도의 변화를 관찰했습니다.
그 후 작년 과학 기술 대학교 베이징에 본사를 둔 그룹 베이징은 31.5 도의“거대한”온도 변화라고 불리는 니켈-망간 티타늄의 새로운 모양 메모리 합금을 발견했습니다. 바르셀로나 대학교 (University of Barcelona)의 솔리드 스테이트 물리학자인 안토니 비행기는“지금 까지이 자료는 최고입니다.
왜 그렇게 좋은가요? 위상 전이 동안 니켈-망간 합금이 줄어 듭니다. 부피는 재료의 가능한 원자 구성의 수에 해당하기 때문에, 부피의 감소는 엔트로피의 추가 감소를 초래한다. Planes는“이 추가적인 기여는이 자료를 흥미롭게 만드는 것입니다.
압력 아래에서 냉각
하지만 모양 메모리 합금에는 한계가 있습니다. 특히 금속 조각을 반복해서 짜면 재료가 피로 될 것입니다.
이러한 이유로, 연구원들은 또한 압력을 가할 때 가열 된“바로이 칼로리”재료를 추구했습니다. 동일한 기본 원리입니다. 압력은 위상 변화를 유도하고 엔트로피를 낮추고 재료를 가열합니다.
흥미로운 물질 중 하나는 플라스틱 결정의 유형 인 Neopentylglycol입니다. 이 물질은 결정 구조에 느슨하게 결합 된 분자로 구성된 부드럽고 변형 가능합니다.
Neopentylgylcol의 분자는 둥글고 3 차원 격자로 배열되어 있습니다. 그들은 서로 약하게 상호 작용하며 약 60 가지 방향으로 회전 할 수 있습니다. 그러나 충분한 압력을 가하고 분자가 붙어 있습니다. 가능한 구성이 적 으면 재료의 엔트로피가 떨어집니다.
플라스틱 크리스탈의 삐걱 거리는 소리는 그것을 압박하면 부피가 줄어들어 엔트로피가 훨씬 줄어 듭니다. 케임브리지 대학교의 고체 물리학 자 Xavier Moya는“고체와 액체 사이에서 압력을 가할 때 엔트로피의 더 큰 변화를 나타내는 방식으로, 캠브리지 대학교의 고체 물리학 자 Xavier Moya는 말했다.
.작년에 두 팀이 기록에서 가장 큰 바로이 칼로리 효과를 달성했습니다. 어느 팀도 온도 변화를 직접 측정하지 않았지만 비행기와 Moya는 상업용 유체 냉매의 엔트로피 변화와 동등한 동점 인 켈빈 당 킬로그램 당 500 줄의 엔트로피 변화를보고했습니다. 그들은 최소 40 도의 해당 온도 변화를 계산했습니다. 중국의 Shenyang National Laboratory for Materials Science에 본사를 둔 또 다른 팀은 389 J/kg/k의 엔트로피 변경을보고했습니다.
그러나 많은 실질적인 도전은 남아 있습니다. Barocaloric 물질은 엘라스토발 성 물질보다 피로에 덜 취약하지만 새로운 이정표에는 수천 대기의 거대한 압력이 필요했습니다. 이러한 압력은 또한 재료를 밀봉해야합니다. Tušek은“전체 시스템을 밀봉하면이 재료와 주변 환경 사이의 열 교환이 어렵다”고 Tušek은 말했다.
실제로, 열 교환은 간단하지 않다고 Moya는 말했다. 그러나 그는 지속 가능한 냉각 기술을 찾기위한 국제 경쟁 인 Global Cooling Prize의 최종 후보 인 Barocal이라는 Barocaloric 냉장 회사를위한 일부 독점 시스템을 연구하고 있습니다. 한편, Takeuchi는 2009 년 메릴랜드 에너지 및 센서 기술을 설립하여 엘라스토 레코 릭 냉각을 상용화했습니다. 상용 제품은 구리 기반 모양 메모리 합금으로 개발되고 있으며, 이는 부드럽고 니켈 티타늄 합금만큼 힘이 필요하지 않습니다.
대조적으로, 비행기와 그의 오랜 협력자 Lluís Mañosa는 다중 자극에 초점을 맞추고 있으며, 이는 힘과 자기장과 같은 다중 자극에 반응합니다. 다중 도로 장치는 더 복잡 할 수 있지만, 다중 자극은 더 높은 엔트로피와 온도 변화를 더 높은 효율로 이끌 수 있습니다. 비행기는“미래의 전망은 매우 좋습니다. “그러나 지금 우리는 처음에 있습니다.”
이 기사는 Wired.com에서 재 인쇄되었습니다.
