Multikalorično hlajenje
Oznaka in naziv projekta
J2-9253 Multikalorično hlajenje
J2-9253 Multicaloric cooling
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Hana Uršič Nemevšek.
IJS: Hana Uršič Nemevšek, Barbara Malič, Tadej Rojac, Zdravko Kutnjak, Brigita Rožič, Nikola Novak, Silvo Drnovšek, Uroš Prah, Andraž Bradeško
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo: Andrej Kitanovski, Jaka Tušek, Uroš Plaznik, Stefano Dall Olio
Vsebinski opis projekta
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.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta
1. Inženiring materialov (M1-M32, partner IJS-K5) Prva faza projekta je izvedena. Pripravljeni so multikalorični materiali na osnovi PFN, BFO in PFN-BFO.
2. Električne in EK lastnosti materialov (M3-M36, partnerji IJS -K5, IJS-F5) Druga faza projekta je izvedena. Električne in EK lastnosti pripravljenih kaloričnih materialov so okarakterizirane.
3. Magnetne in MK lastnosti materialov (M4-M36, partnerji IJS-F5, UL, IJS-K5) Tretja faza projekta je izvedena. Magnetne in MK lastnosti pripravljenih kaloričnih materialov so okarakterizirane.
4. Upravljanje (M1-M36) Objavljenih je deset znanstvenih člankov in en pregledni članek, ki vključujejo, v okviru projekta pripravljene multikalorične materiale na osnovi PFN in BFO (glejte bibliografske reference spodaj). Med njimi tudi članek v prestižni reviji Nature Communications. Projekt je prejel priznanje ARRS Odlični v znanosti 2020. V okviru projekta je bil zaključen doktorat in magisterij, oboje iz področja multikaloričnih/multiferoičnih materialov.
Bibliografske reference
1.) PRAH, Uroš, ROJAC, Tadej, WENCKA, Magdalena, DRAGOMIR, Mirela, BRADEŠKO, Andraž, BENČAN, Andreja, SHERBONDY, Rachel, BRENNECKA, Geoff, KUTNJAK, Zdravko, MALIČ, Barbara, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Improving the multicaloric properties of Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 by controlling the sintering conditions and doping with manganese. Journal of the European ceramic society, ISSN 0955-2219. [Print ed.], 2019, vol. 39, no. 14, str. 4122-4130, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.05.062. [COBISS.SI-ID 32459303]
2.) URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, BENČAN, Andreja, PRAH, Uroš, DRAGOMIR, Mirela, MALIČ, Barbara. Structure and dynamics of ferroelectric domains in polycrystalline Pb(Fe1/2Nb1/2)O3. Materials, ISSN 1996-1944, 2019, vol. 12, no. 8, str. 1327-1-1327-9, doi: 10.3390/ma12081327. [COBISS.SI-ID 32319271]
3.) URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, PRAH, Uroš. Investigations of ferroelectric polycrystalline bulks and thick films using piezoresponse force microscopy. Proceedings. Series A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences, ISSN 1364-5021. [Print ed.], 2019, vol. 475, no. 2223, 8 str., doi: 10.1098/rspa.2018.0782. [COBISS.SI-ID 32191271]
4.) BENČAN, Andreja, DRAŽIĆ, Goran, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, MAKAROVIČ, Maja, KOMELJ, Matej, ROJAC, Tadej. Domain-wall pinning and defect ordering in BiFeO3 probed on the atomic and nanoscale. Nature communications, ISSN 2041-1723, 2020, vol. 11, str. 1762-1-1762-8, doi: 10.1038/s41467-020-15595-0. [COBISS.SI-ID 33296423]
5.) PRAH, Uroš, DRAGOMIR, Mirela, ROJAC, Tadej, BENČAN, Andreja, BROUGHTON, Rachel, CHUNG, Ching-Chang, JONES, Jacob L., SHERBONDY, Rachel, BRENNECKA, Geof, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Strengthened relaxor behavior in (1−x)Pb(Fe0.5Nb0.5)O3-xBiFeO3. Journal of materials chemistry. C, ISSN 2050-7526. [Print ed.], 2020, vol. 8, no. 10, str. 3452--3462, doi: 10.1039/C9TC05883D. [COBISS.SI-ID 33157415]
6.) MAKAROVIČ, Maja, ÇAĞRI BAYIR, Mustafa, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, BRADEŠKO, Andraž, ROJAC, Tadej. Domain wall conductivity as the origin of enhanced domain wall dynamics in polycrystalline BiFeO3, Journal of applied physics, ISSN 0021-8979, 2020, vol. 128, no. 6, str. 064104-1-064104-9, doi: 10.1063/5.0017374. [COBISS.SI-ID 25026051]
7.) MAKAROVIČ, Maja, KANAS, Nicola, ZORKO, Andrej, ŽIBERNA, Katarina, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, SMÅBRÅTEN, D. R., SELBACH, S. M., ROJAC, Tadej. Tailoring the electrical conductivity and hardening in BiFeO3 ceramics. Journal of the European ceramic society, ISSN 0955-2219. [Print ed.], 2020, vol. 40, no. 15, str. 5483-5493, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.037. [COBISS.SI-ID 19939331]
8.) WALKER, Julian, MIRJANIĆ, Anja, PRAH, Uroš, ŠADL, Matej, CONDURACHE, Oana, BENČAN, Andreja, ROJAC, Tadej, GRIGORAS, Marian, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Magnetic contributions in multiferroic gadolinium modified bismuth ferrite ceramics. Scripta materialia, ISSN 1359-6462, 2020, vol. 188, str. 233-237, doi: 10.1016/j.scriptamat.2020.07.045. [COBISS.SI-ID 23735811]
9.) PRAH, Uroš, WENCKA, Magdalena, ROJAC, Tadej, BENČAN, Andreja, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Pb(Fe0.5Nb0.5)O3−BiFeO3-based multicalorics with room-temperature ferroic anomalies. Journal of materials chemistry. C, Materials for optical and electronic devices, ISSN 2050-7534. [Online ed.], 2020, vol. 8, no. 32, str. 1282-11291, doi: 10.1039/d0tc02329a. [COBISS.SI-ID 25927939].
10) MASCHE, M., IANNICIELLO, Lucia, TUŠEK, Jaka, ENGELBRECHT, Kurt. Impact of hysteresis on caloric cooling performance. International journal of refrigeration, ISSN 0140-7007. [Print ed.], Jan. 2021, vol. 121, str.302-312, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2020.10.012. [COBISS.SI-ID 39776771].
11) ŠADL, Matej, TOMC, Urban, PRAH, Uroš, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Protective alumina coatings prepared by aerosol deposition on magnetocaloric gadolinium elements Informacije MIDEM: ISSN 0352-9045. [Tiskana izd.], 2019, letn. 49, št. 3, str. 177-182, ilustr. [COBISS.SI-ID 16935195].