Научная работа постдока Владимира Соколовского из Челябинского государственного университета, которая ведется под руководством доктора физ.-мат. наук Владимира Ховайло (МИСиС), посвящена исследованию сплавов Гейслера с эффектом памяти формы. Уже в ближайшие несколько лет они позволят, например, создать высокоэффективный магнитный холодильник — устройство, которое придет на смену нынешним фреоновым аналогам, будет отличаться бесшумностью и почти на 40% меньшим потреблением энергии.
Магнитный холодильник из сплавов Гейслера будет абсолютно бесшумным

История сплавов Гейслера началась еще в 1898 году, когда немецкий физик Фридрих Гейслер обнаружил интересную закономерность: сплавление немагнитнитных Mn, Cu и Sn приводило к появлению ферромагнитные свойства, то есть сплав притягивался к магниту. Впоследствии данная особенность была обнаружена и в других сплавах с общей химической формулой Х2YZ. Наиболее интересным для практических применений является сплав Гейслера Ni2MnGa. Этот интерметаллид проявляет эффекты памяти формы и сверхупругости, а его ярко выраженные магнитные свойства дают возможность управления этими эффектами с помощью магнитного поля, вплоть до изменения на глазах формы предмета из сплава при поднесении к нему магнита (!).


Память формы и сверхупругость обусловлены наличием особого фазового превращения, называемого мартенситным. В ферромагнитных сплавах с памятью формы магнитное поле влияет на параметры мартенситной фазы вследствие магнитоупругого взаимодействия.


Обычные бытовые холодильники основаны на компрессионном принципе. Охлаждающая жидкость под сильным давлением выталкивается в испаритель, который находится внутри холодильной камеры. В момент возвращения к нормальному давлению жидкость превращается в пар, забирая при этом тепло из внешней среды.


У этих холодильников есть ряд недостатков: охлаждающая система требует много места, издает шум, потребляет много электроэнергии, и требует специальной утилизации (в качестве хладагента применяются фреоны, а при попадании в атмосферу эти вещества разрушают озоновый слой). Именно поэтому сегодня ученые в разных странах работают над созданием магнитных холодильников.


Эти устройства будут работать благодаря магнитокалорическому эффекту: при определенных условиях некоторые вещества способны нагреваться при включении магнитного поля, а выключение магнитного поля приводит к их резкому охлаждению.


Уже существуют первые модели магнитных холодильников, в которых в качестве рабочего вещества используется гадолиний, но широкого применения они пока не получили из-за недостаточной эффективности и дороговизны Gd. Поэтому сегодня необходимы методы создания новых материалов с магнитокалорическим эффектом и способы точной оценки их свойств.


Одними из перспективных материалов для создания таких холодильников являются некоторые представители семейства сплавов Гейслера. В настоящее время известно более 1500 интерметаллических соединений, которые входят в это семейство. Наряду с магнитокалорическим эффектом сплавы Гейслера проявляют ряд других интересных свойств: 100% спиновую поляризацию, свойства топологических изоляторов, аномальную последовательность магнитных переходов, где при нагреве сплава он переходит из немагнитного состояния в магнитное (в «классических» ферромагнетиках нагрев разрушает ферромагнитное упорядочение и при определенной температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик переходит в немагнитное состояние).


Владимир Соколовский и доктор Ховайло работают над теоретическим исследованием фазовых превращений (магнитных, структурных, связанных магнитоструктурных), магнитных, структурных и теплофизических свойств моно и поликристаллических сплавов Гейслера с эффектом памяти формы Ni-Mn-X и Ni-Mn-X-Y (X = Ga, In, Sn, Sb и Y = Fe, Cu, Co, Cr) с помощью первопринципных и Монте-Карло-методов.


Сплавы Гейслера — перспективные материалы не только для магнитных холодильников, но и для разработки миниатюрных силовых устройств, манипуляторов, а в спинтронике — для создания элементов хранения информации.