Làm mát thể rắn là một kỹ thuật làm mát thay thế đầy hứa hẹn không dựa vào việc sử dụng khí hoặc chất lỏng, như các hệ thống làm lạnh thông thường, mà thay vào đó sử dụng các đặc tính của vật liệu rắn để làm lạnh. Phương pháp làm mát thay thế này có thể tiết kiệm năng lượng cao và có thể giúp làm lạnh mọi thứ mà không thải khí nhà kính vào không khí.
Bản phác thảo về quá trình chuyển đổi pha sắt điện sang thuận điện do ánh sáng gây ra được phân tích trong nghiên cứu của chúng tôi, trong đó chúng tôi đã chứng minh rằng quá trình này có thể được sử dụng cho mục đích làm lạnh thể rắn (ví dụ: làm mát CPU). Nguồn: Rurali và cộng sự.
Mặc dù có tiềm năng, các hiệu ứng calo thông thường được phát hiện là khó có thể triển khai hiệu quả trong các thiết bị làm lạnh thực tế. Điều này là do chúng chỉ đáng kể trong phạm vi nhiệt độ hẹp và có các yêu cầu cụ thể hạn chế khả năng của các hệ thống làm mát kết quả.
Các nhà nghiên cứu tại Institut de Ciència de Materials de Barcelona và Universitat Politècnica de Catalunya gần đây đã đề xuất một giải pháp khả thi để khắc phục những hạn chế của các hệ thống làm mát trạng thái rắn hiện có. Bài báo của họ, được công bố trên Physical Review Letters , về mặt lý thuyết chứng minh rằng một số perovskite sắt điện có thể biểu hiện hiệu ứng quang nhiệt (PC) khổng lồ, tồn tại trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiều so với hiệu ứng nhiệt thông thường.
"Nguồn cảm hứng của chúng tôi đến từ hai nguồn khác nhau", Claudio Cazorla, đồng tác giả của bài báo, chia sẻ với Phys.org. "Một mặt, chúng tôi nhận thức được khả năng tạo ra các chuyển pha trong vật liệu sắt điện bằng cách chiếu sáng vào chúng và đã khám phá ý tưởng này để đề xuất các cơ chế chuyển đổi nhiệt mới. Mặt khác, chúng tôi quan tâm đến vật liệu làm mát trạng thái rắn và vật liệu nhiệt, hứa hẹn sẽ thay thế các công nghệ làm lạnh hiện tại dựa trên chu kỳ nén/giải nén các loại khí có hại cho môi trường".
Vật liệu nhiệt lượng thường được sử dụng để thực hiện làm mát trạng thái rắn trải qua các chuyển pha dưới các trường bên ngoài. Các chuyển pha này làm thay đổi entropy của các vật liệu này và có thể được sử dụng để tạo ra quá trình làm lạnh và bơm nhiệt.
Xuất phát từ mối quan tâm của họ đối với vật liệu sắt điện và nhiệt lượng, Cazorla và các đồng nghiệp của ông đã bắt đầu khám phá khả năng tồn tại của hiệu ứng PC trong vật liệu sắt điện, về cơ bản sẽ cho phép làm mát trạng thái rắn thông qua chiếu xạ ánh sáng. Mục tiêu chính của nghiên cứu gần đây của họ là mô tả về mặt lý thuyết các hiệu ứng PC này và xác định xem chúng có thể có lợi ích thực tế cho việc phát triển các hệ thống làm lạnh hay không.
Riccardo Rurali, đồng tác giả của bài báo, chia sẻ với Phys.org: "Mặc dù ý tưởng tạo ra sự chuyển pha trong vật liệu sắt điện bằng ánh sáng đã có từ lâu, nhưng tôi tình cờ biết đến nó trong một hội thảo vào năm 2021".
"Nó ngay lập tức thu hút sự chú ý của tôi, vì tôi nghĩ rằng nó có thể được sử dụng để thiết kế một công tắc nhiệt ('nghiên cứu' chính của tôi), trong đó bằng cách hấp thụ ánh sáng, người ta có thể chuyển đổi qua lại trạng thái dẫn nhiệt cao và thấp. May mắn thay, Claudio Cazorla nhận ra rằng cùng một quá trình chuyển pha do ánh sáng tạo ra đi kèm với một sự thay đổi lớn về entropy và do đó nó có thể được sử dụng để thiết kế một chu trình PC cực kỳ hiệu quả, vượt trội hơn nhiều so với công tắc nhiệt mà chúng tôi đã đề xuất trước đây."
Hiệu ứng PC có thể có nhiều ưu điểm hơn các hiệu ứng nhiệt khác, chẳng hạn như hiệu ứng từ nhiệt, điện nhiệt và cơ nhiệt. Đáng chú ý nhất là hiệu ứng PC có quy mô lớn và có thể khai thác trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiều.
Trên thực tế, các hiệu ứng được nêu trong bài báo của nhóm nghiên cứu đã được chứng minh về mặt lý thuyết là vẫn lớn trong các khoảng nhiệt độ rộng, ở mức 100K. Ngược lại, các hiệu ứng calo thông thường chỉ hoạt động trong các khoảng nhiệt độ hẹp ở mức 10K.
"Điều kiện để hiệu ứng PC do ánh sáng tạo ra có thể hoạt động là hệ thống chuyển từ trạng thái sắt điện sang trạng thái thuận điện, tức là hệ thống mất đi sự phân cực điện tự phát khi hấp thụ ánh sáng", Cazorla giải thích. "Do đó, khoảng nhiệt độ mà hiệu ứng PC có thể được quan sát sẽ khớp với phạm vi nhiệt độ mà vật liệu là sắt điện, có thể lên tới hàng trăm độ Kelvin".
Trong bài báo của mình, Cazorla, Rurali và các đồng nghiệp dự đoán sự tồn tại của hiệu ứng PC trong một số vật liệu sắt điện. Đáng chú ý, những hiệu ứng này được giả thuyết là chỉ xảy ra trong một số ít vật liệu phân cực, bao gồm các vật liệu sắt điện nguyên mẫu BaTiO 3 và KNbO 3 .
"Thực tế là trường kích hoạt [cho] hiệu ứng PC là sự hấp thụ ánh sáng ngụ ý rằng không cần phải lắng đọng các điện cực trên bề mặt của vật liệu sắt điện", Cazorla cho biết. "Điều này có thể đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế và sản xuất thiết lập thực tế tương ứng. Ngoài ra, hiệu ứng PC rất phù hợp để thu nhỏ vì nguồn sáng cần thiết có thể đạt được bằng tia laser".
Các hiệu ứng PC được chứng minh về mặt lý thuyết trong bài báo gần đây này có thể sớm được kiểm tra thêm và thăm dò bằng thực nghiệm. Cazorla, Rurali và các đồng nghiệp của họ cho rằng những hiệu ứng này sẽ đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng làm mát ở quy mô vi mô, chẳng hạn như làm lạnh các bộ xử lý trung tâm (CPU) và các thành phần mạch khác.
Hơn nữa, vì những hiệu ứng này được giả thuyết là tồn tại trong khoảng nhiệt độ rộng lớn, từ nhiệt độ phòng đến độ không tuyệt đối, chúng cũng có thể được sử dụng để đạt được khả năng làm mát bằng nhiệt độ cực thấp (tức là xuống đến nhiệt độ cực thấp). Đổi lại, khả năng làm mát bằng nhiệt độ cực thấp có thể rất có giá trị đối với việc hiện thực hóa các công nghệ lượng tử.
"Hiện tại, chúng tôi đang khám phá các họ vật liệu khác ngoài vật liệu điện sắt cũng có thể biểu hiện chuyển pha do ánh sáng gây ra với tiềm năng ứng dụng làm mát trạng thái rắn", Cazorla cho biết. "Ngoài ra, chúng tôi đang xem xét vai trò của tính đa chiều để đưa hiệu ứng PC vào các ứng dụng thực tế (ví dụ: vật liệu hai chiều và màng mỏng)".
Cazorla, Rurali và các đồng nghiệp của họ hiện đang tiến hành các nghiên cứu sâu hơn nhằm đánh giá thêm tiềm năng của các hiệu ứng PC mà họ đưa ra lý thuyết, đồng thời xem xét các chiến lược tiềm năng để tận dụng chúng trong các ứng dụng thực tế. Nghiên cứu của họ có thể truyền cảm hứng cho các nhóm khác cũng khám phá những hiệu ứng này và tiềm năng của chúng trong việc cải thiện khả năng làm mát trạng thái rắn.
"Chúng tôi nhận ra rằng điện tích cảm ứng quang có thể ngăn chặn các trạng thái sắp xếp điện tích khác kết hợp với cấu trúc mạng tinh thể", Rurali nói thêm. "Hiện tại, chúng tôi đang nghiên cứu các vật liệu 2D có sóng mật độ điện tích (CDW). Chúng đặc biệt hứa hẹn vì, do tính đa chiều của chúng, chúng có vẻ phù hợp hơn để hấp thụ ánh sáng hiệu quả".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
