Proprietà funzionali dei composti intermetallici basti sui metalli di transizione – esperimenti e teoria   

Responsabili di progetto

Franca Albertini, Zdenek Arnold

Accordo

REPUBBLICA CECA - CAS (ex AVCR) - Czech Academy of Sciences

Bando

CNR/AVCR 2013-2015

Dipartimento

Materiali e Dispositivi

Area tematica

Scienze fisiche e tecnologie della materia

Stato del progetto

Rinnovo

Relazione per il rinnovo

joint-report2010-2012-arnold-albertini-1.pdf

Proposta di ricerca

Il presente progetto è incentrato  sullo studio sperimentale e teorico del comportamento fisico in condizioni estreme (elevate pressioni e campi magnetici, basse temperature) di composti intermetallici multifunzionali e, in particolare, leghe di Heusler di composizione Ni2MnX (X = Ga, In, Sn, Sb). Si richiede il rinnovo di un progetto bilaterale già attivo nel triennio precedente che ha portato a buoni risultati e aperto nuovi filoni di indagine che meritano di essere approfonditi. In particolare l’attività di collaborazione tra i due gruppi di ricerca  (IMEM-CNR e Istituto di Fisica AVCR) ha portato a diverse comunicazioni a conferenze (9) anche su invito (2), a lavori congiunti (6) e al training di giovani ricercatori, oltre alla messa a punto di nuove tecniche di misura e protocolli sperimentali e alla realizzazione di materiali di nuova composizione. 
Le leghe di Heusler su cui si incentra l’attenzione del progetto sono materiali multifunzionali che presentano una transizione martensitica tra due fasi con diverso ordine/comportamento magnetico e diverse proprietà fische (proprietà termodinamiche, conducibilità elettrica e termica , volume cellulare, parametri recolari...). Oltre alla memoria di forma convenzionale, dai primi anni 2000 hanno mostrato proprietà “giganti” che possono essere indotte dall’applicazione di campi magnetici, pressione, stress. In particolare sono state riscontrate deformazioni fino al 10% indotte dell'applicazione di campi magnetici riconducibili a due diversi processi: riorientazione delle varianti di twin e per induzione della transizione strutturale da parte del campo [1, 2, 3], effetti magnetocalorici giganti [4, 5], effetti giganti di magnetoresistenza [6] e conducibilità magnetotermica [7] e molto recentemente effetti barocalorici giganti [8] che, opportunamente sfruttati, possono aprire nuovi scenari nel campo delle applicazioni per energetica e per i dispositivi “smart”.
In particolare nel corso del triennio precedente sono state realizzate nuove composizioni con transizione strutturale inversa che amplificano la discontinuità in volume e in magnetizzazione tra la fase austenitica e martensitica e rendono particolarmente interessante il materiale per le proprietà magnetostrittive, magnetocaloriche e barocaloriche. Uno dei materiali studiati (lega di NiCoMnGaIn ) ha evidenziato una la più alta dipendenza dalla pressione applicata della temperatura di transizione delle leghe Heusler, dimostrandosi particolarmente promettente per quanto riguarda il comportamento barocalorico.
E’ stata recentemente intrapresa una collaborazione con il gruppo del prof. Mañosa che ha proposto per primo l’effetto barocalorico gigante [8] e più recentemente ha anche proposto un effetto barocalorico gigante inverso [9]. 
Scopi del presente progetto sono:
Realizzare nuovi materiali con
- proprietà magnetoelastiche, magnetocalroiche e barocaloriche superiori allo stato dell’arte ottenibili in moderati campi magnetici (2T, producibili con magneti permanenti)
-presenza contemporanea di più proprietà giganti (effetti multifunzionali)
-riduzione dell’isteresi in campo e in temperatura per favorire l’uso ciclico delle proprietà per applicazioni energetiche (es. refrigeratori, energy havester) e per la realizzazione di  dispositivi smart.
 
Attraverso
-Ottimizzazione della composizione (studio sistematico sperimentale e modellistico delle proprietà intrinseche anche attraverso lo studio della dipendenza dalla pressione delle interazioni magnetiche fondamentali e del comportamento martensitico)
-Ottimizzazione della struttura/microstruttura (approfondita analisi strutturale e microstrutturale), realizzazione di semilavorati, processi di training e trattamenti termici.
L’attività scientifica del personale dell’Istituto IMEM sarà principalemente dedicata alla preparazione e studio di proprietà intrinseche (momento magnetico, anisotropia magnetocristallina, effetto magnetocalorico e proprietà magnetotransporto), allo studio delle proprietà strutturali e microstrutturali  (XRD, HRTEM, AFM/MFM); alla produzione di  materiali di nuova composizione e alla realizzazione di protocolli di trattamento termomeccanico dei materiali.
L’ attività scientifica del gruppo praghese sarà dedicata allo studio delle proprietà fondamentali magnetiche e di trasporto sotto elevate pressioni (magnetizzazione, temperature critiche strutturali e magnetiche, effetto magnetocaloricoe  proprietà magnetotransporto) in una vasta gamma di temperature e campi magnetici (campi fino a 14 Tesla, pressioni idrostatiche fino a 20 kbar nell'intervallo di temperatura 2-700 K). Una nuova cooperazione con un gruppo di teorici dell’istituto stesso (Istituto di Fisica AVCR) porterà  alla descrizione teorica e alla spiegazione delle variazioni di ordinamento magnetico che si verifica nelle leghe studiate al variare della composizione. Oltre alle misure di variazione di entropia magnetica condotte a Parma, a Praga verrà misurata la variazione di temepratura in condizioni adiabatiche dei sistemi magnetocalorici, sfruttando uno strumento realizzato nel primo triennio del progetto per la misura diretta di temperatura.
Lo studio delle proprietà magnetiche e strutturali sotto pressione è assai rilevante sia per approfondire e modellizzare le interazioni fondamentali dei sistemi che per eplorarne il comporamento funzionale se soggetti a pressioni o a stress (es. induzione di transizioni strutturali, variazioni di proprietà, ottenimento di nuovi effetti utilizzabili in applicazioni come l’effeto barocalorico gigante). L’esperienza e la capacità sperimentale del gruppo di Praga è di assoluta eccellenza e non presente in Italia. Per questo motivo riteniamo strategico al fine delle nostre ricerche portare avanti la collaborazinoe. Inoltre l’acquisizione di nuove collaborazioni teoriche ceche nell’abito di questa edizione del progetto ci permetteranno un salto qualitativo e una grossa possibilità di estensione del campo di ricerca.
Le attività di ricerca dei due gruppi sono complementari e le risorse umane e sperimentali sono adeguate  allo svolgimento delle attività presviste  La prosecuzione del progetto proposto garantisce un approccio coordinato. Il progetto inoltre fornirà un'opportunità importante per i giovani ricercatori di entrambe le istituzioni per stabilire i propri contatti scientifici internazionali.
 

Obiettivi della ricerca

Scopi del presente progetto sono:
Realizzare nuovi materiali con
- proprietà magnetoelastiche, magnetocalroiche e barocaloriche superiori allo stato dell’arte ottenibili in moderati campi magnetici (2T, producibili con magneti permanenti)
-presenza contemporanea di più proprietà giganti (effetti multifunzionali)
-riduzione dell’isteresi in campo e in temperatura per favorire l’uso ciclico delle proprietà per applicazioni energetiche (es. refrigeratori, energy havester) e per la realizzazione di dispositivi smart.
Attraverso
-Ottimizzazione della composizione (studio sistematico sperimentale e modellistico delleproprietà intrinseche anche attraverso lo studio della dipendenza dalla pressione delle interazioni magnetiche fondamentali e del comportamento martensitico)
-Ottimizzazione della struttura/microstruttura (approfondita analisi strutturale e microstrutturale), realizzazione di semilavorati, processi di training e trattamenti termici.
 
 
 

Ultimo aggiornamento: 19/05/2025