能制冷的神奇磁性材料

錢(qián)蘇昕

改變磁場(chǎng)就能悄無(wú)聲息地降低溫度？！這不是魔法，而是神奇的磁制冷——利用磁制冷材料（常為稀土金屬或其化合物）、磁制冷裝置，就能達(dá)到高效、環(huán)保的制冷效果！

消失的磁場(chǎng)

在介紹磁制冷之前，我們先來(lái)了解一下什么是材料的磁性？磁性又是從何而來(lái)的？

生活中，磁性冰箱貼可以輕易附著于鐵質(zhì)的冰箱上，但無(wú)法貼附于銅質(zhì)的門(mén)把手或水龍頭。鐵和銅對(duì)外加磁場(chǎng)呈現(xiàn)出了完全不同的反應(yīng)，這種性質(zhì)被稱為磁性。

磁性取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)。物質(zhì)是由原子組成的，而原子包含了帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子，運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在物理學(xué)中，我們用磁矩衡量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。

在宏觀世界里，電動(dòng)汽車線圈中的電流產(chǎn)生磁矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力；在微觀世界里，每個(gè)原子內(nèi)部，電子在不同能級(jí)軌道的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生軌道磁矩，電子的自旋會(huì)產(chǎn)生電子磁矩，原子核內(nèi)質(zhì)子的自旋會(huì)產(chǎn)生原子核磁矩。

為什么不同的材料會(huì)呈現(xiàn)不同的磁性呢？上文提到了每個(gè)原子都有自己的磁矩，當(dāng)每個(gè)原子的磁矩有序排列、指向相同時(shí)，材料對(duì)外就會(huì)呈現(xiàn)出宏觀的磁場(chǎng)，這種微觀結(jié)構(gòu)被稱為鐵磁相，例如磁鐵。

原子結(jié)構(gòu)示意圖

?電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩，其方向取決于電子自旋的方向

如果把磁鐵放到高溫環(huán)境中，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)衰退直至完全消失。這又是為什么呢？我們都知道布朗運(yùn)動(dòng)，它表明了分子存在隨機(jī)無(wú)序的熱運(yùn)動(dòng)。微觀粒子都存在類似的熱運(yùn)動(dòng)，溫度越高，無(wú)序程度越大。如上圖所示，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，電子的無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使不同原子產(chǎn)生的磁矩方向不再相同，磁矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)無(wú)序排列，于是無(wú)法對(duì)外產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)，這種微觀結(jié)構(gòu)被稱為順磁相。只有外界施加足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)，才能從順磁相恢復(fù)到鐵磁相。

磁能生熱也能降溫？

電動(dòng)汽車線圈中的電流產(chǎn)生磁矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（電機(jī)中心旋轉(zhuǎn)的部分就是轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力（繪圖/ 陳禾）

如圖所示，對(duì)高于居里溫度、處于順磁相的材料施加磁場(chǎng)時(shí)，無(wú)序排列的磁矩會(huì)在磁場(chǎng)的作用下，重新恢復(fù)磁矩定向有序排列的鐵磁相。

當(dāng)溫度足夠高時(shí)，磁鐵內(nèi)部電子的無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使不同原子產(chǎn)生的磁矩方向不再相同，磁矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)無(wú)序排列，于是磁鐵無(wú)法對(duì)外產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)

在這個(gè)磁矩?zé)o序到磁矩有序的過(guò)程中，電子無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)多余的動(dòng)能被迫釋放，這部分動(dòng)能會(huì)加速原子的振動(dòng)，宏觀反映為材料溫度上升；反之，退去磁場(chǎng)，從磁矩有序到無(wú)序的變化需要補(bǔ)充這部分動(dòng)能，造成原子振動(dòng)減速、材料溫度降低。我們可以簡(jiǎn)單記憶為，磁化放熱（材料升溫）、退磁吸熱（材料降溫）。這種由于外加磁場(chǎng)變化使材料溫度變化的效應(yīng)稱為磁熱效應(yīng)。

磁鐵要保持鐵磁相（有磁場(chǎng)），需要低于居里溫度，才能對(duì)外提供磁場(chǎng)。而對(duì)我們能制冷的磁性材料來(lái)說(shuō)，它的居里溫度需要在制冷溫度附近，才能利用外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的順磁-鐵磁相變實(shí)現(xiàn)制冷。即只有在居里溫度附近才有鐵磁-順磁相變，有相變才有熱效應(yīng)（溫度變化）從而制冷。

64號(hào)元素釓（Gd，讀gá）的居里溫度恰好為19攝氏度，為室溫溫區(qū)的制冷提供了可能；釓鎵石榴石（Gd3Ga5O12）的居里溫度約為2開(kāi)爾文（零下271.15攝氏度），可用于低溫制冷。

如何實(shí)現(xiàn)制冷？

單次退磁降溫?zé)o法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的制冷。我們需要一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)才能源源不斷地將熱量從低溫搬運(yùn)至高溫，提供持續(xù)制冷。以極低溫制冷為例，一個(gè)典型的磁制冷循環(huán)包含4個(gè)步驟：

?釓是一種金屬元素，元素符號(hào)為Gd，原子序數(shù)64，原子量157.25，呈銀白色，可用于室溫制冷

?磁制冷循環(huán)原理。H表示外加磁場(chǎng)

?極低溫磁制冷裝置原理與實(shí)物圖。在制冷循環(huán)中，可以使用超導(dǎo)線圈作為外加磁場(chǎng)源，使用熱開(kāi)關(guān)控制磁性材料的換熱（照片來(lái)源/北京理工大學(xué)沈俊教授團(tuán)隊(duì)）

美國(guó)物理化學(xué)家吉奧克曾因發(fā)明磁制冷裝置，對(duì)低溫材料熱力學(xué)和熱力學(xué)第三定律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證作出了卓越貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

如今，磁制冷材料和磁制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、電子、低溫物理研究等領(lǐng)域。例如，為航天遙感傳感器、量子計(jì)算機(jī)提供低溫等。

傳統(tǒng)的制冷方式，需要使用氟代烴制冷劑實(shí)現(xiàn)吸熱、放熱。但氟代烴易引發(fā)溫室效應(yīng)，例如，汽車空調(diào)使用的四氟乙烷分子引發(fā)的溫室效應(yīng)等效于1400個(gè)二氧化碳分子。為了抑制制冷劑引發(fā)的溫室效應(yīng)導(dǎo)致的氣候變化問(wèn)題，未來(lái)20年，我國(guó)承諾削減80%的氟代烴制冷劑。由于磁性材料不會(huì)揮發(fā)至大氣引起溫室效應(yīng)，科學(xué)家也在研究室溫溫區(qū)的磁制冷冰箱和空調(diào)。希望在未來(lái)，綠色環(huán)保的磁制冷能走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

知識(shí)拓展

能讓磁性改變的居里溫度

居里溫度是使磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度，因紀(jì)念法國(guó)著名物理學(xué)家皮埃爾·居里在1895年對(duì)鐵磁-順磁相變溫度的研究工作而得名。低于此溫度時(shí)，物質(zhì)表現(xiàn)出鐵磁性（微觀結(jié)構(gòu)是鐵磁相）；而高于此溫度時(shí)，物質(zhì)表現(xiàn)出順磁性（微觀結(jié)構(gòu)是順磁相）。

固相、液相、氣相微觀結(jié)構(gòu)示意圖（繪圖/ 陳禾）

例如，釹（nǚ）鐵硼（目前人類使用的最強(qiáng)的永磁體材料）的居里溫度是300～400攝氏度，一旦超過(guò)這個(gè)溫度，釹鐵硼的磁場(chǎng)會(huì)完全消失。

這里我們要再講解一下“相”和“相變”這兩個(gè)概念。固相、液相、氣相（也稱固體、液體、氣體或者固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）是3種相態(tài)。固體分子間距小，相互作用力大；氣體分子間距大，相互作用力小。

如果某種東西由一種物質(zhì)均勻組成，擁有均勻的物理與化學(xué)性質(zhì)，則稱這種東西只具有一種相。當(dāng)物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)時(shí)，就說(shuō)這種物質(zhì)發(fā)生了相變。例如，冰變?yōu)樗?，即固相變?yōu)橐合?；水變?yōu)槠?，即液相變?yōu)闅庀唷?/p>

磁鐵升溫失效就是從鐵磁相到順磁相的固態(tài)相變過(guò)程。兩相轉(zhuǎn)變的溫度就是居里溫度。

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）