Идея магнитного охлаждения основана на использовании эффекта, который сейчас называется магнитокалорическим. Магнитокалорический эффект (МКЭ) — это процесс выделения или поглощения тепла веществом при изменении магнитного поля вокруг него. Те вещества, которые обладают значительным МКЭ, называются магнитокалорики. Принцип работы прост: ученые помещают вещество в магнитное поле, где оно начинает нагреваться. Затем убирают излишнюю теплоту и охлаждают, а когда выключают магнитное поле, то вещество охлаждается еще сильнее. По сути, происходит простой переход одной энергии в другую.
Это нужно для того, чтобы достигнуть очень низких температур. Например, жидким гелием можно охладить вещество до 4 Кельвинов, а вот магнитным способом можно получить температуру, почти равную абсолютному нулю. Магнитокалорики наиболее эффективно работают в криогенной температуре, то есть менее 120 °К, что примерно равно -153 ℃.
На сегодняшний день самыми перспективными магнитокалориками являются соединения гадолиния (Gd). Поэтому ученые Института неорганической химии им. А. В. Николаева работали с соединениями именно этого элемента. В своей работе сотрудники института кандидат химических наук Татьяна Александровна Помелова и доктор химических наук Николай Геннадьевич Наумов синтезировали сульфиды гадолиния и элементы первой группы: лития (Li), натрия (Na), калия (K), рубидия (Rb), цезия (Cs).
Сначала ученые полагали, что больший магнитокалорический эффект будет связан с сульфидом LiGdS2 из-за большего массового содержания в нем гадолиния. Однако исследование показало, что именно NaGdS2 показывает лучшие свойства среди исследуемых веществ. Благодаря тому, что это соединение наиболее сильно отвечает на изменение магнитного поля, оно вошло в пятерку наиболее эффективных соединений гадолиния, работающих в криогенных температурах.
«Важным успехом этой работы, помимо получения этого вещества, стало то, что мы смогли показать, насколько сульфиды могут быть интересными с точки зрения магнитных свойств. Это открывает множество возможностей для исследования этого класса соединений», — рассказала Татьяна Помелова.
Важным практическим приложением магнитокалориков является использование их в магнитных охладителях и магнитотепловых насосах. Также ведется поиск магнитокалориков, которые будут работать при комнатной температуре, чтобы попробовать заменить стандартные холодильники на компрессорах. Главное преимущество магнитных материалов в том, что они будут более экологичными, долгослужащими, эффективными и тихими. Помимо этого, важно, что применение магнитных материалов дешевле в сравнении с охлаждением жидким гелием.
Несмотря на то, что в ближайшее время прикладное использование магнитокалориков невозможно, их исследование позволяет накопить фундаментальные знания о процессе магнитного охлаждения и позволит в будущем его использовать.
