โครงการวิจัย 1: การศึกษาสมบัติแม่เหล็กและเชิงกายภาพของสารประกอบความร้อนเชิงแม่เหล็กในกลุ่มแมงกาไนต์ (LaMnO3>) และการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

โครงการวิจัย 1: การศึกษาสมบัติแม่เหล็กและเชิงกายภาพของสารประกอบความร้อนเชิงแม่เหล็กในกลุ่มแมงกาไนต์ (LaMnO³>) และการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

การพัฒนาสารประกอบแม่เหล็กที่เหมาะสมกับเทคโนโลยีระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จะมีประสิทธิภาพสูงสุด ถ้าทำควบคู่ไปกับการศึกษาสมบัติแม่เหล็กเพื่อเข้าใจกระบวนการทางฟิสิกส์เชิงลึก [1,2] และเข้าใจการเปลี่ยนเฟสของสารประกอบแม่เหล็ก หลักการทำงานของระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก คือการใช้สนามแม่เหล็กเพื่อทำให้โมเมนต์แม่เหล็กชี้ไปในทิศทางเดียวกัน ระบบมีความเป็นระเบียบสูงและมีค่าเอนโทรปีต่ำและเมื่อสารทำความเย็นเชิงแม่เหล็กถูกย้ายไปบริเวณที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก ระบบจะดูดความร้อนจากสภาพแวดล้อมเพื่อทำให้โมเมนต์ไม่เป็นระเบียบและค่าเอนโทรปีสูงขึ้นอีกครั้ง ทำให้สภาพแวดล้อมมีอุณหภูมิที่เย็นลง ดังนั้นค่าเชิงฟิสิกส์ที่สำคัญที่ใช้บ่งบอกความสามารถของสารทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก คือ ค่าการเปลี่ยนเอนโทรปีแม่เหล็ก (magnetic entropy change) และค่าการเปลี่ยนอุณหภูมิแบบอะเดียแบติก (adiabatic temperature change) โดยสารทำความเย็นเชิงแม่เหล็กที่ดีต้องมีค่าและที่สูง และเพื่อให้เหมาะต่อการนำไปพัฒนาต่อเป็นระบบทำความเย็นที่อยู่ในอุณหภูมิห้องได้ สารทำความเย็นต้องมีอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนเฟสหรืออุณหภูมิคูรี (Curie temperature, T^C) ที่ให้ค่าสูงสุด ใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง และควรใช้สนามแม่เหล็กไม่เกิน 2 เทสลาซึ่งเป็นค่าสนามแม่เหล็กสูงสุดจากแม่เหล็กถาวร ในการทำให้โมเมนต์แม่เหล็กชี้ไปในทิศทางเดียวกัน ปัจจุบันจะพบว่ามีสารประกอบแม่เหล็กน้อยมากที่มีสมบัติตามที่กล่าวมาครบทุกข้อ ซึ่งเป็นข้อจำกัดสำคัญประการหนึ่งในการพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กเริ่มถูกนำมาใช้ในการทำความเย็นในช่วงอุณหภูมิต่ำกว่า 1 เคลวิน (K) ก่อนโดยใช้เกลือพาราเม็กเน็ต (paramagnetic salt) ต่อมาเมื่อมีการค้นพบว่าโลหะแกโดลิเนียม (Gd) มีสมบัติความร้อนเชิงแม่เหล็กสูง บริเวณอุณหภูมิห้อง  (T^C = 294 K) [3] เสริมกับการค้นพบ giant magnetocaloric effect (GMC) ในสารประกอบ Gd² Si² Ge² (T^C = 276 K) [4] ในปี พ.ศ.2540 ทำให้งานวิจัยด้านระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กทั้งทางด้านวัสดุและวิศวกรรมมีจำนวนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่เนื่องจากโลหะแกโดลิเนียมมีราคาสูง (ประมาณ 4,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม) จึงมีความพยายามที่จะหาสารประกอบความร้อนเชิงแม่เหล็กมาทดแทนโลหะหรืออัลลอยของแกโดลิเนียม ตัวอย่างเช่น อัลลอย Ni-Mn-Ga [5] อัลลอย MnAs [6] อัลลอย Mn-Fe-P-As [1]  LaFe^11.57 Si^1.43 H^1.3 [7]  MnCoGeB^0.02 [8] และสารประกอบแมงกาไนต์ (LaMnO³) [9] สารเหล่านี้ไม่มีสารประกอบที่เป็นธาตุแรร์เอิร์ท (rare earth) จึงมีต้นทุนในการผลิตที่ถูกกว่า เหตุผลสำคัญอีกประการหนึ่งที่ทางโครงการวิจัยนี้เลือกที่จะศึกษาสารประกอบในกลุ่มโลหะแทรนซิชัน (transition metals) [11] เพราะสารประกอบในกลุ่มนี้มีสารประกอบของธาตุที่มีราคาถูกว่าธาตุแรร์เอิร์ทชนิดอื่นที่มีสมบัติความร้อนเชิงแม่เหล็ก เช่น สารประกอบที่มีธาตุแกโดลิเนียม ซึ่งมีกระบวนแยกสารที่ซับซ้อนและก่อให้เกิดมลพิษได้มากกว่า [10] นอกจากนี้ยังมีราคาแพง ไม่เหมาะกับการนำมาใช้ทำเครื่องทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก เพื่อแข่งขันเชิงราคากับเครื่องทำความเย็นที่ใช้สารทำความเย็นที่แพร่หลายในปัจจุบันได้ ดังนั้นสารประกอบในกลุ่มโลหะแทรนซิชัน จึงมีความน่าสนใจทั้งในด้านการศึกษาฟิสิกส์ของการเปลี่ยนเฟสในสารประกอบความร้อนเชิงแม่เหล็ก และความเป็นไปได้ที่จะนำมาประยุกต์เป็นเครื่องทำความเย็นแบบใหม่

เอกสารอ้างอิง

[1] O. Tegus, E. Brück, K.H.J. Buschow and F.R. de Boer, Nature 415, 150 (2002).

[2] V. Franco, J.S. Blázquez, B. Ingale, and A. Conde, Annu. Rev. Mater. Res. 42, 305-42 (2012) and references therein.

[3] K.V. Pecharsky, K.A. Gschneidner, and A.O. Tsokol, Rep. Prog. Phys. 68, 1479 (2005) and references therein.

[4] K.V. Pecharsky, and K.A. Gschneidner, Phys. Rev. Lett. 78, 4494 (1997).

[5] F.X. Hu, B.G. Shen, J.R. Sun, and G.H. Wu, Phys. Rev. B 64, 132412 (2001).

[6] H. Wada and Y. Tanabe, Appl. Phys. Lett. 79 9440946 (2000).

[7] A. Fujita, S. Fujita, Y. Hasegawa, and K. Fukamichi, Phys. Rev. B 67, 104416 (2003).

[8] N.T. Trung, L. Zhang, L. Caron, K.H. Buschow, and E. Brück, Appl. Phys. Lett. 96, 172504 (2010)

[9] M.-H. Phan and S.-C. Yu, J. Mag. Mag. Mater. 308, 325-340 (2007) and references therein.

[10] B. Monfared, R. Furberg, B. Palm, International Journal of Refrigeration 42, 69-76 (2014).

หัวหน้าโครงการ: ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. กิตติวิทย์ มาแทน¹⁾

นักวิจัยสมทบ: ผศ. ดร.ราชธีร์ เตชไพศาลเจริญกิจ²⁾, ดร.ยุรนันท์ หาญลำยวง²⁾, ดร.วีรชัย ชัยวรพฤกษ์³⁾, ผศ. ดร.อรทัย จงประทีป²⁾

หน่วยงานต้นสังกัด: 1) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล,  2) ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์  มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 3) ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์