Применение магнетокалориков и магнетокалорического эффекта

Важным практическим приложением магнитокалориков стало использование их в магнитных охладителях и магнитотепловых насосах. Магнитное охлаждение с использованием магнетокалорического эффекта обладает высоким потенциалом для удовлетворения насущной потребности во всем мире в отношении экологически безопасного, экологически чистого и энергоэффективного управления температурным режимом.

И хотя в настоящее время основная исследовательская деятельность в области МКЭ и магнетокалорических материалов направлена в основном на магнитное охлаждение МКЭ может найти и другое перспективное применение. Например в медицине при лечении злокачественных опухолей методом гипертермии. Гипертермия-достаточно известный метод лечения, основанный на различной реакции атипичных (злокачественных) и здоровых клеток на повышенную температуру – первые погибают при температуре около 43 °С, а вторые могут выдержать такие условия.

Первоначально гипертермия выполнялась путем нагревания тела больного на водяной бане (общая гипертермия), затем применялся локальный нагрев (локальная гипертермия). Местное отопление осуществлялось с помощью радио-и микроволнового электромагнитного излучения. Недавно был предложен новый метод гипертермии, при котором локальный нагрев достигался за счет потерь на перемагничивание в системе наночастиц, предварительно введенных в опухолевую ткань, – этот метод получил название магнитожидкостной гипертермии. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущими методами локальной гипертермии.

Еще один способ использования МКЭ в медицине - это доставка и высвобождение лекарств. Доставка лекарств к органам-мишеням в организме человека является одной из основных проблем в лечении различных заболеваний, особенно онкологических, и в диагностике. Также часто приходится осуществлять контролируемое высвобождение одного или нескольких лекарственных препаратов в организм.

Перспективы исследований

Как было отмечено выше, существуют две основные области практического применения МЦЭ – магнитное охлаждение и медицина (гипертермия, доставка лекарств). Оба они требуют материалов с высокими магнетокалорическими характеристиками. В последнее десятилетие появляется множество новых магнетокалорических материалов, но их характеристики все еще весьма далеки от желаемых для коммерческой реализации магнитного охлаждения и от теоретического предела адиабатического изменения температуры.

В поиске эффективных материалов для магнитного охлаждения важную роль играют не только теоретические, но и экспериментальные исследования. В частности, было показано, что скорость развертки магнитного поля может влиять на характер кривых ΔT(H) для материалов с магнитными фазовыми переходами первого порядка. В данной области крайне важны динамические измерения МКЭ. Они также нужны и для медицинских применений МКЭ.

Еще одним важным с медицинской, а также фундаментальной точек зрения направлением экспериментальных исследований МКЭ является изучение адиабатического изменения температуры в динамическом режиме в достаточно слабых магнитных полях (до 105 А М−1). До сих пор основное внимание в экспериментальных исследованиях МКЭ уделялось измерениям в сильных магнитных полях – до 2 Тл и выше, а в слабых магнитных полях почти никто не проводил измерений. Это связано с тем, что основная исследовательская деятельность была сосредоточена на создании рабочих материалов для магнитных холодильников, необходимо было получить максимально высокие значения ΔSMT и ΔT и эти параметры увеличивались с увеличением магнитного поля.

Исследования МКЭ в низких полях также могут дать дополнительную информацию о вкладе магнитокристаллической анизотропии и доменной структуры (область низкого поля, соответствующая смещению доменных стенок) в МКЭ, необходимую для понимания фундаментальных механизмов магнитного упорядочения в сыпучих материалах.

Список литературы

1. Белов К.П. Магнитотепловые явления в редкоземельных магнетиках. М., Наука, 1990

2. Никитин С.А. Магнитные свойства редкоземельных металлов и их сплавов. Изд.МГУ, 1989

3. Аникин М.С., Потапов Е.В., Тарасов Е.Н., Зинин А.В. «ВЛИЯНИЕ АТОМНОГО НОМЕРА РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА НА МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В 𝑹(𝑪𝒐𝟎.𝟖𝟖𝑭𝒆𝟎.𝟏𝟐)𝟐»

4. Бабкин Е. В. «МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ КРИСТАЛЛАХ. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ» Сибирский журнал науки и технологий, 2007

5. V.Chaudhary, X.Chen, R.V.Ramanujan «Iron and manganese based magnetocaloric materials for near room temperature thermal management» Progress in Materials Science Volume 100, February 2019, Pages 64-98

6. А.M.Tishina, Y.I.Spichkin «Recent progress in magnetocaloric effect: Mechanisms and potential applications» International Journal of Refrigeration, Volume 37, January 2014, Pages 223-229