Investigation of the new magnetic shape memory Heusler alloys and micromechanical devices on their bases

Project leaders

Franca Albertini, Vladimir Shavrov

Agreement

RUSSIA - RAS old - Russian Academy of Sciences old

Call

CNR/RAS 2011-2013

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

Nel 1996 la scoperta dell'effetto di memoria di forma magnetica in cristalli singoli della lega di Heusler Ni-Mn-Ga ha originato a livello mondiale una grande mole di studi e lavori su nuove leghe dotate di transizioni di fase sia magnetiche che strutturali. In questo campo, membri di entrambi i gruppi proponenti italiani e russi hanno ottenuto importanti risultati
Ad esempio, i partner italiani (IMEM) hanno dimostrato per la prima volta il miglioramento dell'effetto magnetocalorico gigante (MCE) in leghe Ni-Mn-Ga aventi le transizioni magnetiche e strutturali coincidenti [1]. Nondimeno, la controparte russa (IRE) ha fornito le prima dimostrazione sperimentale e la spiegazione teorica dell'effetto memoria di forma guidato da campo magnetico (SME) in sistemi policristallini Ni-Mn-Ga [2]. Entrambi i gruppi sono tuttora molto attivi nella preparazione, caratterizzazione e modellizzazione di nuove leghe multifunzionali appartenenti a questa classe di materiali [3-6].
Comunque in un'ottica di applicazione tecnologica di questi notevoli fenomeni fisici (MCE ed SME), diverse criticità devono essere affrontate. In particolare, l'uso di un campo magnetico per il controllo di dispositivi meccanici basati su leghe a memoria di forma magnetica Ni-Mn-Ga richiede ancora l'applicazione di campi troppo intensi (fino a 10 T), in quanto la sensibilità della transizione al campo non è sufficientemente elevata (circa 1 K/T).
Recentemente, la realizzazione di nuove leghe di Heusler Ni-Mn-X (X=In, Sn, Sb...) dotate di sensibilità molto maggiore (fino a 15 K/T), ha mostrato come promettente strategia di miglioramento la coincidenza tra la trasformazione strutturale e una transizione magnetica del tipo ferro-para o ferro-antiferro. A questo punto, il prossimo step evolutivo della ricerca si concentra sulla scoperta di nuovi materiali capaci di una trasformazione reversibile in campi ottenibili da magneti permanenti (fino a 3.2 Tesla).
L'applicazione di micro- e nano-dispositivi a memoria di forma controllati magneticamente è particolarmente promettente, in quanto capace di superare lo schema tradizionale del dispositivo meccanico motore-trasmissione-attuazione. Recentemente, membri del gruppo proponente russo hanno realizzato sperimentalmente le più piccole “nano-pinze” basate sull'effetto a memoria di forma controllato termicamente in leghe Ti-Ni-Cu [7, 8]. La realizzazione di un tale dispositivo controllato da campo magnetico sarebbe estremamente interessante per applicazioni micro-biotecnologiche e di nano-medicina; questo obiettivo, oltre alla scoperta di nuove leghe, non può prescindere dall'approfondito studio degli effetti fondamentali e delle manifestazioni delle transizioni strutturali e magnetiche alle dimensioni micro- e nano-metriche.
Lo studio degli effetti MCE giganti e i tentativi di applicazione nella refrigerazione a stato solido hanno destato grande interesse nel campo scientifico e tecnologico. Nonostante la realizzazione di diversi prototipi, l'applicazione a livello commerciale di questa tecnologia è ancora distante. La ragione più probabile di questo risultato è l'assenza di una consolidata conoscenza di base delle cinetiche delle trasformazioni magnetiche e strutturali, i cui limiti superiori sono anche i fattori limitanti della massima potenza refrigerante ottenibile da un dispositivo basato su MCE. I membri russi del gruppo proponente hanno sviluppato una tecnica originale di misura della velocità delle transizioni magnetiche in materiali dotati di MCE giganti.
Nel presente progetto, i gruppi Italiano e Russo coopereranno nella ricerca di base e applicata per approfondire la comprensione delle proprietà fisiche alla base di nuovi materiali multifunzionali per applicazioni in ambiti strategici quali la micro- e nano-meccanica e le tecnologie a risparmio energetico basate sulla refrigerazione magnetica.
[1] Pareti L, Solzi M, Albertini F, et al. Giant entropy change at the co-occurrence of structural and magnetic transitions in the Ni2.19Mn0.81Ga Heusler alloy. Europ. Phys. J. B 32 (2003) pp. 303.
[2] Cherechukin AA, Dikshtein IE, Ermakov DI, V.Koledov, V.Shavrov  et al. Shape memory effect due to magnetic field-induced thermoelastic martensitic transformation in polycrystalline Ni-Mn-Fe-Ga alloy. Physics Lett. A, V. 291 (2001) pp. 175-183.
[3]Fabbrici S, Albertini F, Paoluzi A, Bolzoni F, Cabassi R, Solzi M, Righi L, Calestani G “Reverse magnetostructural transformation in Co-doped NiMnGa multifunctional alloys” Appl. Phys. Lett.  2 (2009), 022508.
[4]Fabbrici S, Kamarad J, Arnold Z, Casoli F, Paoluzi A, Bolzoni F, Cabassi R. Solzi M, Porcari G, Pernechele C, and Albertini F "From direct to inverse Giant Magnetocaloric Effect in Co-doped NiMnGa multifunctional alloys" , Acta Materialia 2010 (accepted).
[5] Buchelnikov, VD, Sokolovskiy  VV,  Herper HC, Ebert H, Gruner ME , Taskaev SV, Khovaylo VV, Hucht A, Dannenberg A, Ogura M, Akai H, Acet M, Entel P “First-principles and Monte Carlo study of magnetostructural transition and magnetocaloric properties of Ni2+xMn1-xGa”, Phys. Rev. B 81 (2010) 094411. 
[6] Khovaylo VV, Skokov KP, Gutfleisch O, Miki H, Takagi T, Kanomata T, Koledov VV, Shavrov VG, Wang G, Palacios E, Bartolome J, Burriel R “Peculiarities of the magnetocaloric properties in Ni-Mn-Sn ferromagnetic shape memory alloys” Phys. Rev. B  81  (2010) 214406
[7] Irzhak AV, Zakharov DI, Kalashnikov VS, et al. Actuators based on composite material with shape-memory effect. JOURNAL OF COMMUNICATIONS TECHNOLOGY AND ELECTRONICS 55, (2010) 818.
[8] Irzhak AV, Kalashnikov VS, Koledov VV, V. Shavrov et al. Giant reversible deformations in a shape-memory composite material. TECHNICAL PHYSICS LETTERS. V. 36 (2010) 329.

Research goals

Studio sperimentale e teorico di nuove leghe di Heusler Ni-(Co)-Mn-X (X = In, Sb, Sn, Ga) con proprietà di memoria di forma magnetica e magneto-caloriche ottimizzate. Si studieranno le proprietà magnetiche, le transizioni alla micro- e nano-scala, i limiti intrinseci della velocità di trasformazione e le interazioni tra le transizioni strutturali, magnetiche e meta-magnetiche.
Saranno depositati e studiati film sottili per investigare la realizzabilità di micro- e nano-manipolatori submicrometrici attuabili tramite la memoria di forma magnetica, di interesse per biotech e nano-medicina.
Proprietà magneto-caloriche: misure sistematiche di MCE sulle leghe realizzate; tramite metodo originale, si misurerà la velocità delle trasformazioni. La modellizzazione teorica tramite metodi Monte Carlo delle transizioni di fase e delle proprietà fisiche (magnetiche, termodinamiche) sarà attentamente curata; a tal scopo saranno formulate le Hamiltoniane modello dai dati di cristalli reali delle suddette leghe. Cacoli ab initio e modelli fenomenologici simuleranno diagrammi di fase e proprietà in funzione di composizione, campo magnetico e stress; il confronto coi risultati sperimentali definirà i criteri per l'ottimizzazione delle proprietà MCE per applicazione nei refrigeratori magnetici.
Il buon esito del progetto definirà i fondamenti teorici e fisici per la realizzazione di nuovi materiali con potenzialità applicative in campi strategici come la micro-meccanica e le energie alternative.

Last update: 08/06/2025