Projekti / Programi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.21.00 |
Tehnika |
Tehnološko usmerjena fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
okolje, hlajenje, nova generacija hladilnih sistemov, brez HFC, kaloriki
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
Tehnologija hlajenja, ki temelji na kompresiji hladilnih plinov se danes preprosto ne more več spopasti z ogromnimi zahtevami ljudi po hlajenju. Hladilna sredstva, v tej stari tehnologiji, so okolju škodljiva in njihovo uporabo je potrebno omejiti (Montrealski protokol). Današnje raziskave novih hladilnih tehnik so osredotočene na kalorične pojave - elektrokalorični (EK), magnetokalorični (MK) ali mehanokalorični (mK) – reverzibilne spremembe temperature pod vplivom zunanjih dražljajev– električnega, magnetnega ali mehanskega. Posamično so omenjeni pojavi znani že nekaj desetletij, dandanes pa znanstvena srenja teži k pripravi materialov, ki lahko izkazujejo več kot en sam pojav. Takim materialom pravimo multikaloriki. Leta 2016 je naša skupina naredila preboj na tem področju, saj je v mednarodni reviji Scientific Reports objavila članek o relaksorskem materialu, ki izkazuje tako EK, kot tudi MK pojav, torej je multikalorik. Vendar pa 0.8Pb(Fe0.5Nb0.5)O3–0.2Pb(Mg0.5W0.5)O3 (PFN-20PMW) material izkazuje zelo majhne EK in MK temperaturne spremembe (samo ~0.25 K za oba efekta). Prav tako se največji kalorični pojav nahaja pri zelo nizkih temperaturah 220 K (za EK pojav) in 5 K (za MK pojav), zato omenjeni material ni primeren za praktično uporabo v hladilnih sistemih. Še več, material izkazuje tudi visoko električno prevodnost, ki vodi do Joulovega gretja ter posledično do znižanja EK efekta.
Projekt bo temeljil na že pridobljenem znanju, vendar pa bo stremel k razvoju novih, boljših multikalorikov. Idealen kandidat za multikalorični material mora izkazovati, ne samo multiferoičnih lastnosti blizu sobne temperature in nizko električno prevodnost, ampak tudi učinkovito urejanje električnih in magnetnih dipolov pri priključitvi električnega/magnetnega polja. Predlog projekta vključuje multidisciplinarno projektno skupino, ki bo študirala materiale na osnovi Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 (PFN) ter materiale brez svinca BiFeO3 (BFO) in bo poskušala pripraviti multikalorični materiala s še boljšimi lastnostmi za določene aplikacije v primerjavi s prvotnim PFN-20PMW. Cilji projekta temeljijo na kemijski modifikaciji PFN materiala z namenom: i) znižati električno prevodnost ter tako povišati EK temperaturno spremembo; ii) znižati temperaturo dielektrične anomalije ter tako premakniti temperaturo EK maksimuma v bližino sobne temperature in iii) zvišati temperaturo anomalije magnetne susceptibilnosti ter tako premakniti temperaturo MK maksimuma v bližino sobne temperature ter povišati njegovo vrednost.
Projekt je razdeljen v tri raziskovalne delovne sklope. Prvi delovni sklop DS1 je posvečen pripravi multikalorikov ter njihovi strukturni karakterizaciji. Materiale bomo pripravili s sintezo v trdnem stanju ali z mehanokemijsko aktivacijo in sintranjem stisnjenih surovcev. Analizirali bomo kemijsko in fazno sestavo ter njihovo mikrostrukturo. V drugem delovnem sklopu DS2 bomo študirali električne in EK lastnosti vzorcev. Pripravljene vzorce volumenske keramike bomo analizirali z dielektrično spektroskopijo in izmerili EK pojav (indirektno- spremembo temperature bomo dobili iz podatkov o polarizaciji v odvisnosti od električnega polja pri različnih temperaturah ter direktno-v visokoločljivostnem kalorimetru). V tretjem delovnem sklopu DS3, bomo določili MK lastnosti vzorcev. Magnetne lastnosti bomo merili s magnetometrom SQUID (ang. superconducting quantum interference device magnetometer) ter PPMS sistemom (ang. physical property measurement system). Naprava za meritev direktnih MK temperaturnih sprememb so locirani pri partnerski instituciji, na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani.
Pomen za razvoj znanosti
Zaradi okoljskih sprememb, znanstvena skupnost išče nove materiale ter nove rešitve za bodoče hladilne sisteme. Med njimi so tudi kalorični materiali. Potrebujemo kalorične materiale, ki bi izkazovali višje kalorične temperaturne spremembe, kot današnji materiali (le nekaj stopinj), vendar ne samo to, potrebujemo tudi boljšo zanesljivost in širok temperaturni interval delovanja materiala. V okviru projekta bomo pripravili nove multikalorične materiale, ki bodo izkazovali dobre kalorične lastnosti v okolici sobne temperature ali nad njo. Raziskovalno področje takšnih multikorikov je zelo mlado (teoretični začetki leta 2012, eksperimentalni začetki leta 2014) in glede na trenutne podnebne spremembe je izjemno pomembno za prihodnost. Z gotovostjo lahko rečemo, da bodo rezultati, pridobljeni v okviru projekta, novi in izviren prispevek k znanosti in zelo koristni za prihodnjo družbo. Ne smemo pozabiti, da ima projektna skupina dolgoletne izkušnje pri raziskavah kaloričnih materialov, tako elektrokaloričnih kot tudi magnetokaloričnih (celo dokaz koncepta v multikorikih). Zato so primerni kandidati za razvoj bolj učinkovitih multikalorikov. Na ta način bodo omenjeni raziskovalci pripomogli k hitrejšemu razvoju tega mladega raziskovalnega področja v naslednjih letih.
Rezultate raziskav bomo predstavili na mednarodnih konferencah in jih objavili v znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva. V projekt bomo vključili doktorske študente. Predlagateljica projekta ima odobrena sredstva ARRS za mladega raziskovalca Uroša Praha, ki že začenja s tematiko, ki se navezuje na vsebino projekta.
Pomen za razvoj Slovenije
There is an urgent need with strong competition between research institutions worldwide to find and develop materials with large caloric effects, reliable operation under elevated fields (electric and magnetic) and broad temperature interval where future cooling devices can operate. In the frame of this project we will go one step further; we will study the materials, where EC and MC effects are acting together in a single multi-caloric material. We will try to design the multi-caloric materials with both caloric effects close or above room temperature. The research field of such multicalorics is very young (theoretical beginning in 2012, the experimental start in 2014) and in a view of the current climate change it is extremely important for future. So we can say with certainty that the results obtained within the project will be new, original contribution to the science and very useful for future society. We shouldn’t forget that the project group has many years of experience in research of caloric materials, electrocaloric as well as magnetocaloric (even proof of concept in multicalorics). Therefore they are appropriate candidates to develop more efficient multicalorics and with that to initiate faster development of this young research field in the next years.
The results of the research will be presented at international conferences and will be published in papers in high impact journals. PhD students will also be included in the project. The project applicant has already a PhD student Uroš Prah who already started to work on the topic related to the project.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
