3.1. Máy làm lạnh:
Các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn ở xung quanh nhiệt độ phòng (hoặc cao hơn) để sử dụng trong các máy lạnh thay thế cho các máy lạnh truyền thống sử dụng chu trình nén khí vì chúng có các ưu thế sau:
+ Không gây ô nhiễm (máy lạnh dùng khí nén thải ra khí phá hủy tầng ôzôn) do không thải ra các chất thải ô nhiễm.
+ Hiệu suất cao: Các máy lạnh dùng từ trường có thể cho hiệu suất cao trên 60%, trong khi các máy lạnh nén khí chỉ cho hiệu suất không quá 40%.
+ Kích thước nhỏ gọn.
Mục tiêu hiện nay là tìm ra các loại vật liệu từ nhiệt có các đặc tính cơ bản sau:
+ Có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ xảy ra xung quanh nhiệt độ phòng.
+ Hiệu ứng từ nhiệt phải xảy ra trong biến thiên từ trường nhỏ vì các máy móc dân dụng không thể tạo ra từ trường lớn. Hầu hết các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ hiện tại đều đạt được ở từ trường lớn gây nhiều khó khăn cho ứng dụng.
+ Vật liệu phải có nhiệt dung nhỏ (để tạo ra biến thiên nhiệt độ lớn, dễ truyền nhiệt...), chế tạo không quá phức tạp và có độ bền cao trong quá trình hoạt động.
Hãng Toshiba đã cho ra đời máy làm lạnh bằng vật liệu từ nhiệt ở dạng thương phẩm đầu tiên vào năm 2003. Máy có công suất 60 W, sử dụng từ trường 0,76T, có thể cho biến đổi nhiệt độ tới 20 K với kim loại Gd làm chất hoạt động. Từ khi Toshiba giới thiệu sản phẩm trên đến nay thì chưa có bất kì máy lạnh thương phẩm nào được ra đời.
35
Hiện nay các nhà nghiên cứu đang chú ý đến một loại vật liệu từ nhiệt đáp ứng được các yêu cầu trên. Đó là hợp kim Heusler.
Từ bảng 1.1 ta có thể thấy ưu điểm nổi bật của các hợp kim Heusler so với các vật liệu từ nhiệt khác. Các hợp kim này có khả năng cho MCE lớn hơn hẳn trong vùng nhiệt độ phòng và trong biến thiên từ trường tương đối nhỏ. Ngoài ra, chúng còn có điện trở suất lớn, chế tạo không phức tạp và nguyên liệu dễ kiếm nên giá thành thấp.
Vì vậy, loại vật liệu này đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với hy vọng sẽ cho ra đời một dòng sản phẩm máy lạnh mới có hiệu suất cao hơn, nhỏ gọn hơn, giá thành rẻ hơn và đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường.
3.2. Bộ nhớ RAM không tự xóa:
Nhóm các nhà khoa học từ Pháp, Đức và Hoa Kỳ vừa công bố công trình nghiên cứu mới mà ở đó thế hệ bộ nhớ không tự xóa với tốc độ truy xuất cũng như mật độ cao có thể được xây dựng từ một loại cấu trúc từ gọi là các “xoáy từ” (magnetic vortex) [9]. Đây là một loại linh kiện thuộc công nghệ điện tử học spin, có thể sử dụng cho thế hệ bộ nhớ tiếp theo thay cho các bộ nhớ bán dẫn đương thời đang bộc lộ nhiều điểm yếu. Nguyên lý điều khiển thông tin của bộ nhớ rất đơn giản, chỉ là điều khiển sự định hướng theo hai chiều của xoáy từ.
36
Hình 3.1. Phân bố mômen từ trong các xoáy từ với hai trạng thái của cực [9].
Xoáy từ là một dạng cấu trúc từ khá phổ biến thường xuất hiện trong các vật từ dạng màng mỏng có hình dạng đối xứng hình học cao (ví dụ như các đĩa hình tròn, đĩa hình vuông, hình ellipse…) ở điều kiện tương quan đường kính và chiều dày thích hợp. Trong cấu trúc này, các mômen từ sẽ định hướng xoay tròn quanh một nhân trong mặt phẳng của vật, còn ở nhân của xoáy từ là thành phần hướng vuông góc với mặt phẳng xoáy từ (gọi là cực – xem hình 3.1). Nhân của xoáy từ này được dùng để lưu trữ thông tin với mỗi bit thông tin được định nghĩ theo chiều định hướng của nó.
Kỹ thuật mới có tên gọi là bộ nhớ xoáy từ điều khiển tần số (frequency- controlled magnetic vortex memory) được phát triển bởi nhóm lãnh đạo Benjamin Pigeau (Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Saclay, Pháp), cộng tác với các nhà khoa học khác đến từ Pháp, Đức và Hoa Kỳ dựa trên việc điều khiển các xoáy từ trong các đĩa tròn làm bằng hợp kim NiMnSb (một loại hợp kim Heusler) với đường kính thử nghiệm ban đầu là 1 micromet.
37
Hình 3.2. Cơ cấu nghiên cứu phần tử lưu trữ thông qua điều khiển nhân của xoáy từ và kết quả khả năng đảo từ phụ thuộc vào từ trường: (a-b) [9].
Theo lý giải của các nhà nghiên cứu, cơ chế về đảo từ trong các phần tử này thực chất được nghiên cứu rộng rãi trước đó trong các mẫu kim loại như Ni, Fe, Co…, nhưng các nghiên cứu trước chưa tìm ra được một cách tối ưu để điều khiển mômen từ bên trong từng vật thể (tức là chưa thể điều khiển các bit thông tin cho từng phần tử nhớ). Ở đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tối ưu để điều khiển sự định hướng này bằng cách sử dụng sóng viba dạng xung kết hợp với từ trường tĩnh. Trong cơ cấu này, tần số quay lớn và nhỏ của nhân xoáy từ liên hệ với sự định hướng lên (dương) hay xuống (âm) của nhân xoáy từ. Khi ở trạng thái hướng lên trên (bit 1), nhân song song với từ trường đặt vào. Thiết bị siêu nhạy kính hiển vi lực từ cộng hưởng (magnetic resonance force microscope – MRFM) cho phép ghi lại quá trình đảo này dưới sự thay đổi của tần số sóng viba (hình 3.2).
38
Hình 3.3. Đề xuất thiết kế cho bộ nhớ [9].
Từ kết quả này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế bộ nhớ gồm một ma trận các chấm nano từ NiMnSb chứa các xoáy từ cùng với một nam châm điện nhỏ đặt bên dưới nhằm tạo ra một từ trường vuông góc với ma trận này và giúp cho việc điều khiển thông tin trong các chấm nano này (đường kính khoảng 800 nm) – xem hình 3.3. Để đọc thông tin từ các chấm này, một từ trường rất nhỏ (chỉ khoảng 65 mT) được dùng để đọc trạng thái định hướng của nhân xoáy từ. Việc ghi thông tin được thực hiện bằng cách tăng độ lớn của từ trường xung viba nhằm định hướng các nhân xoáy từ theo chiều mong muốn, và thông tin này được lưu lại do sự lưu chiều của mômen từ. Thông tin chỉ bị xóa mất (đảo chiều mômen từ trong nhân xoáy từ) khi tần số thay đổi mạnh. Các nhà nghiên cứu cũng chứng tỏ bằng thực nghiệm xác suất đảo chính xác cực cao mà không hề có sai hỏng, đồng thời không hề ảnh hưởng gì đến thông tin từ các bit bên cạnh.
“Cơ chế đảo động học này thực ra là rất cơ bản nhưng lại cực kỳ hữu
dụng cho ứng dụng trong công nghệ thông tin với việc sử dụng các nhân xoáy từ để mã hóa các thông tin nhị phân” - Grégoire de Loubens, đồng tác giả của
39
nhớ này theo nhiều hướng khác nhau, ví dụ như sử dụng các hình dạng khác nhau của các chấm nano, thay đổi hệ số kích thước đồng thời thiết kế máy dò sóng đọc thông tin thay cho MRFM trong thí nghiệm phân tích... Đồng thời, họ hy vọng có thể tạo ra bộ nhớ đa thanh ghi.
3.3. Nhà máy điện không dùng nước:
Đa số các nhà máy điện ngày nay – từ một số ma trận điện mặt trời lớn nhất cho đến các cơ sở năng lượng hạt nhân – đều hoạt động trên sự đun sôi và ngưng tụ của nước để sản xuất năng lượng.
Quá trình biến nước nóng thành năng lượng về cơ bản đã được James Watt tìm hiểu năm 1765. Nhiệt từ mặt trời hay từ một phản ứng hạt nhân có điều khiển làm sôi nước, sau đó dâng lên, làm quay một tua bin và phát ra điện.
Tại sao lại dùng nước? Vì nó rẻ tiền; nó hấp thụ rất nhiều “nhiệt âm ỉ” khi nó biến thành hơi; nó sản ra rất nhiều năng lượng khi nó thổi qua tua bin; và nó dễ dàng ngưng tụ trở lại thành nước lỏng qua một nguồn môi trường như một con sông chẳng hạn.
40
Kĩ sư vật liệu Richard James thuộc trường Đại học Minnesota làm nóng một hợp kim mới lạ đặt trên một ngón đồng; chất liệu đột ngột trở nên có từ tính mạnh khi nó trải qua một sự biến đổi pha, biến nhiệt thành điện.
* Nhiệt năng thành điện năng:
Bắt đầu từ nghiên cứu cơ bản của Nicolas Leonard Sadi Carnot vào năm 1824, các kĩ sư đã biết cách làm sôi và làm ngưng tụ nước, sử dụng “sự đặc biệt pha” này giữa chất lỏng và chất khí để phát điện.
Thêm nhiệt vào nước ở thời điểm thích hợp trong chu trình đó và ngăn sự trao đổi nhiệt ở những thời điểm khác trong chu trình cho phép các nhà nghiên cứu trích xuất phần lớn năng lượng từ hơi nước. Theo cách này, họ thận trọng thiết kế chu trình để tối đa hóa hiệu suất của nó, một khái niệm toán học mà Carnot đã định nghĩa.
“Sự sôi và ngưng tụ của nước đòi hỏi những bình áp suất và những bình trao đổi nhiệt cỡ lớn để chứa nước”, phát biểu của nhà nghiên cứu Richard James thuộc trường Đại học Minnesota. James và đội của nghiên cứu của ông muốn dùng một sự biến đổi pha hoàn toàn khác thay thế cho sự sôi và ngưng tụ của nước.
* Các hợp kim Heusler:
Các nhà nghiên cứu theo đuổi phương án trên ở một họ hợp kim gọi là hợp kim Heusler từ tính, mặc dù các kim loại cấu tạo nên chúng thì không có từ tính. Hợp kim mang tên kĩ sư khai khoáng người Đức Friedrich Heusler, người đầu tiên để ý thấy Cu2MnSn có từ tính mặc dù từng nguyên tố Cu, Mn và Sn không có từ tính, họ hợp kim này có một xu hướng bất ngờ là biểu hiện từ tính. Như James lưu ý, Heusler cũng đã quan tâm đến các biến đổi pha martensitic.
Làm việc trong nhóm của James, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Vijay Srivastava đã áp dụng chiến lược trên để thu được độ trễ thấp, làm thay đổi có
41
hệ thống thành phần của hợp kim Heusler cơ bản Ni2MnSn và thu được Ni45Co5Mn40Sn10.
“Ni45Co5Mn40Sn10 là một hợp kim nổi bật”, James nói. “Pha nhiệt độ thấp thì không có từ tính nhưng pha nhiệt độ cao thì là một nam châm mạnh, mạnh gần như sắt ở cùng nhiệt độ”. Các nhà nghiên cứu lập tức nhận ra rằng một hợp kim như thế có thể tác dụng như nước biến đổi pha trong một nhà máy điện.
“Nếu bạn quấn một cuộn dây nhỏ xung quanh hợp kim và làm nóng nó qua sự biến đổi pha, thì sự từ hóa thay đổi đột ngột gây cảm ứng một dòng điện trong cuộn dây”, James nói. “Trong quá trình đó, hợp kim hấp thụ một phần nhiệt âm ỉ. Nó biến nhiệt trực tiếp thành điện” [8].
Với những phát hiện hết sức thú vị này chúng ta hy vọng các nhà khoa học sẽ sớm tìm được phương án thiết kế cho một nhà máy điện không dùng nước (không cần những bình áp suất và bình trao đổi nhiệt cỡ lớn) trong tương lai không xa.
42 KẾT LUẬN
Sau quá trình nghiên cứu, tìm tòi tôi đã hoàn thành khóa luận và làm được những công việc sau:
Tìm hiểu sơ lược, tổng quan về vật liệu từ nhiệt (hiệu ứng từ nhiệt, các hướng nghiên cứu, tiêu chuẩn lựa chọn và các kết quả nghiên cứu gần đây về vật liệu từ nhiệt).
Tìm hiểu cấu trúc, tính chất và một số ứng dụng quan trọng của hợp kim Heusler.
Việc tìm hiểu về vật liệu từ nhiệt, đặc biệt là hợp kim Heusler, đã giúp tôi hiểu sâu hơn về loại vật liệu này, cũng như các tính chất khá thú vị của hợp kim Heusler, một loại vật liệu hứa hẹn sẽ đem lại nhiều lợi ích cho nền công nghiệp thế giới.
Tuy nhiên do thời gian có hạn nên trong khóa luận tôi mới chỉ trình bày được một số tính chất và ứng dụng nổi bật của loại vật liệu này, ngoài ra còn nhiều những vấn đề khác chưa được đề cập đến.
Mặt khác do kinh nghiệm nghiên cứu còn ít, điều kiện làm việc còn hạn chế nên chắc chắn khóa luận còn nhiều thiếu sót. Mong các thầy cô giáo và các bạn góp ý để khóa luận này được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn!
43