ジョン・ゴフは、1759 年に 2 歳のときに天然痘で視力を失った後、触覚が発達しました。新進の自然主義者はすぐに、下唇で植物の毛に触れ、舌で雄しべと雌しべに触れ、感触で植物を識別することを学びました。大人になって天然ゴムを手早く伸ばすと、唇が急に暖かくなり、唇が緩むと冷たくなるのを感じたとき、彼は奇妙な現象の最も直接的で説得力のある証拠と考えられるものを得ました.
彼は 1802 年に自分の観察結果を記述し、少なくとも英語で、現在弾性熱量効果として知られているものの最初の記録を提供しました。これは、外的要因 (力、圧力、磁場または電場) が物質の温度の変化を誘発する、カロリー効果のより広いカテゴリの一部です。
しかし、カロリー効果は単なる好奇心ではありません。
過去数十年にわたって、研究者はますます強力なカロリー物質を特定してきました。究極の目標は、環境にやさしい冷蔵庫とエアコンを作ることです。カロリー冷却装置は、温室効果ガスとしての二酸化炭素よりも何千倍も強力な有害な冷媒を漏らしません。しかし、より優れた冷却装置には、より優れた素材が必要です。
材料がその温度を変化させることができるほど、より効率的になります。そして昨年、研究者は前例のない量で変化する可能性のある2つのユニークなタイプの材料を特定しました. 1 つは加えられた力に反応し、もう 1 つは圧力に反応します。どちらも、劇的に摂氏 30 度以上の温度変化 (略して「デルタ T」) が可能です。
「単独で 30 のデルタ T を与える材料を入手できると誰が考えたでしょうか?」メリーランド大学カレッジパーク校の材料科学者である竹内一郎は、新しい研究には参加していないと述べた。 「すごいですね」
ほてり
ゴフはそれを知りませんでしたが、200 年以上前にゴム片を伸ばすと、内部に長い分子が並んでいました。アライメントはシステムの乱れを減らしました — 乱れはエントロピーと呼ばれる量によって測定されます.
熱力学の第 2 法則によると、閉鎖系の全エントロピーは増加するか、少なくとも一定のままでなければなりません。ゴムの分子構成のエントロピーが減少する場合、エントロピーは他の場所で増加する必要があります.
ゴフのようなゴム片では、エントロピーの増加は分子の振動運動で起こります.分子が揺れ、この分子運動の増加が熱として現れます。潜熱と呼ばれる一見隠れた熱です。ゴムが十分に急速に伸ばされると、潜熱が材料に留まり、その温度が上昇します。
多くの素材には少なくともわずかな弾性熱量効果があり、絞ったり伸ばしたりすると少し暖かくなります。しかし、冷却システムで使用できるほど大きな温度変化に達するためには、材料は対応するエントロピーのはるかに大きな変化を必要とします。
これまでのところ最高の弾性熱量材料は形状記憶合金です。それらは、液体の水が凍って氷になるのと同じように、相変化のために機能します。 1 つのフェーズで、材料が反ったり、反ったりしたままになったりすることがあります。しかし、熱を加えると、合金の結晶構造はより硬い相に移行し、以前の形状に戻ります (したがって、形状記憶合金と呼ばれます)。
これらの 2 つの相の間の結晶構造のシフトは、エントロピーの変化を引き起こします。エントロピーはシステムの無秩序に関連していますが、システムが持つことができる構成の数の尺度としてより正確に説明されています。構成が少ないほど、エントロピーは少なくなります。本の棚について考えてみてください。本をアルファベット順に並べ替える方法は 1 つだけですが、アルファベット順に並べ替える方法はたくさんあります。したがって、アルファベット順の本の棚はより整然としており、エントロピーは少なくなります。
最大の弾性熱量効果の 1 つを示しているニッケルチタンのような形状記憶合金では、硬質相の結晶構造は立方体です。柔軟な相は、ひし形のような細長い立方体である菱形を形成します。
これらの菱形は、立方体よりも可能な構成が少なくなります。正方形は、90、180、270、360 度の 4 つの角度で回転しても変化しないと考えてください。一方、ひし形は、180 度と 360 度の 2 回の回転後にのみ同じように見えます。
柔軟なフェーズでは可能な構成が少ないため、エントロピーが少なくなります。合金が剛性相にあるときに外力がかかると、金属は柔軟な低エントロピー相に移行します。ゴフのゴムと同様に、金属構造のエントロピー低下には、原子振動のエントロピー上昇が必要であり、これにより材料が加熱されます。
エアコンや冷蔵庫では、合金を柔軟な低エントロピー相に保ちながら、この熱をすばやく除去する必要があります.力が取り除かれると、合金は剛性の高いエントロピー相に戻ります。しかし、そのためには、原子構造が合金の振動原子からエントロピーを獲得する必要があります。原子の振動が少なくなり、そのような振動は単なる熱であるため、合金の温度が低下します。冷たい金属は周囲を冷やすことができます。
これらの資料の進歩は着実に進んでいます。 2012 年、竹内らは、ニッケル チタン ワイヤで摂氏 17 度の温度変化を測定しました。 3 年後、リュブリャナ大学の Jaka Tušek らは、同様のワイヤーで 25 度の変化を観察しました。
そして昨年、北京科技大学に拠点を置くグループが、ニッケル-マンガン-チタンの新しい形状記憶合金を発見しました。この合金は、31.5 度という「巨大な」温度変化を誇っています。チームの一員であったバルセロナ大学の固体物理学者である Antoni Planes 氏は、「これまでのところ、この材料は最高です」と述べています。
何がそんなに良いのですか？相転移の間、ニッケル-マンガン合金は収縮します。体積は材料の可能な原子構成の数に対応するため、体積が減少するとエントロピーがさらに減少します。 「この追加の貢献が、この資料を興味深いものにしています」とプレーンズは言いました。
圧力下で冷却
ただし、形状記憶合金には限界があります。特に、金属片を何度も握ると、材料が疲労します.
この理由の一部として、研究者は、圧力をかけると熱くなる「バロカロリック」材料も追求してきました。これは同じ基本原理です。圧力が相変化を引き起こし、エントロピーを低下させ、材料を加熱します。
興味深い材料の 1 つは、プラスチック結晶の一種であるネオペンチルグリコールです。この材料は柔らかく変形可能で、結晶構造に緩やかに結合した分子で構成されています。
ネオペンチルグリコールの分子は丸く、三次元格子状に配列されています。それらは互いに弱く相互作用するだけで、約 60 の異なる向きに回転できます。しかし、十分な圧力をかけると、分子がくっついてしまいます。可能な構成が少なくなると、素材のエントロピーが低下します。
プラスチック クリスタルのスクイーズは、それを絞るとその体積が減少し、エントロピーがさらに減少することを意味します。ケンブリッジ大学の固体物理学者である Xavier Moya は、「それらはある意味で固体と液体の中間にあるため、圧力を加えるとエントロピーの変化が大きくなる可能性があります」と述べています。
昨年、2 つのチームが記録上最大のバロカロリー効果を達成しました。どちらのチームも温度変化を直接測定しませんでしたが、Planes と Moya を含むヨーロッパのチームは、500 ジュール/キログラム/ケルビンのエントロピー変化を報告しました。彼らは、少なくとも40度の対応する温度変化を計算しました。中国の瀋陽国立材料科学研究所に拠点を置く別のチームは、389 J/kg/K のエントロピー変化を報告しました。
しかし、多くの実際的な課題が残っています。気圧熱量材料は弾性熱量材料よりも疲労の影響を受けにくいですが、新しいマイルストーンには数千気圧の巨大な圧力が必要でした。このような圧力では、材料を密閉する必要もあります。 「システム全体を密閉すると、この材料と周囲の間で熱を交換することは困難です」と Tušek 氏は述べています。
確かに、熱交換は簡単ではない、とモヤは言った。しかし、彼は、持続可能な冷却技術を見つけるための国際的な競争である Global Cooling Prize のファイナリストである、Barocal と呼ばれる彼が共同設立した barocaloric 冷凍会社のいくつかの独自のシステムに取り組んでいます。一方、竹内氏は 2009 年に Maryland Energy and Sensor Technologies を設立し、弾性熱量冷却を商品化しました。商用製品は、銅ベースの形状記憶合金を使用して開発されています。これは、ニッケルチタン合金ほど柔らかく、力を必要としません。
対照的に、Planes と彼の長年の共同研究者である Lluís Mañosa は、力と磁場の両方など、複数の刺激に反応するマルチカロリックに注目しています。マルチカロリーデバイスはより複雑になる可能性がありますが、複数の刺激がより大きなエントロピーと温度変化をより高い効率で引き起こす可能性があります. 「将来の見通しは非常に良好です」とプレーンズ氏は語った。 「しかし今のところ、私たちはまだ始まったばかりです。」
この記事は Wired.com に転載されました。
