物理学家之光‘Magnetic Fire’揭示能源之路

纽约大学的物理学家发现了类似于森林大火蔓延的过程中能量如何释放和分散在磁性材料中,这一发现有可能加深我们对自我维持的化学反应的理解。

该研究发表在《物理评论快报》上,还包括巴塞罗那大学,纽约城市学院和佛罗里达大学的研究人员。可以下载 这里.

森林火灾之所以蔓延,是因为最初的火焰或火花会加热一种物质-树干或树枝-使其燃烧,释放出热量,使火势蔓延到其他树干或树枝,将小火花变成可自我维持的,蔓延的可能致命且不可逆转的火线。

在《物理评论快报》的研究中,研究人员试图了解能量如何在磁性材料(“电磁火”)中得以维持和传播。这些知识对于设计用于储能应用的磁性材料很重要。这是因为磁火会导致存储能量的快速不受控制的释放,从而在例如发电机中产生大量的能量损失。

磁系统内能量爆发的研究可追溯到二十年前。但是科学家还无法测量和了解导致这种现象的原因,这种现象被称为“电磁爆燃”。

这个谜的部分原因在于化学反应的性质。在这种产生热量的反应中,释放的能量由化学成分决定,并且不容易改变。开始化学反应通常需要所谓的“活化能”。然后随着反应的进行释放能量。换句话说,科学家得出的结论是,开始这一过程需要火花-就像一场森林火在点燃单个火柴的情况下一样。

但是在磁性材料中,能量可以通过磁场控制,因此在实验中非常容易改变。因此,活化能和释放的能量是可控的,从而能够系统地研究能量流的物理机制。

为了实现这一目标,研究人员推测他们可以通过一系列旋转来产生这样的“火花”,即化学反应相当于火柴。在这种情况下,他们使用了分子磁体的小单晶-每个磁性分子仅十亿分之一米-可以被磁化,就像指南针一样。研究人员提供了一个热脉冲作为火花,使加热器附近的分子自旋在磁场中翻转,这一过程释放出能量并将其传输到附近的材料。

纽约大学物理系教授,该研究的高级研究员安德鲁·肯特解释说:“当分子的自旋与外加磁场方向相反排列时,它们具有很高的能量。” “然后,当自旋'翻转'时,能量被释放并分散到周围的磁性材料中,这会引起失控的反应。”

而且,科学家们能够通过调整实验中磁场的组成来控制这一过程的速度。通过详细的检查,他们可以了解在什么条件下释放能量以及如何传播能量。

物理学家之光'Magnetic Fire'揭示能源之路肯特补充说:“这些令人兴奋的结果,促使我们进一步考虑是否甚至需要使用火花来引发磁火。” “我们希望观察和研究在没有火花的情况下自发起火的情况。”

这项研究是由两位博士候选人Pradeep Subedi和Saul Velez以及博士后研究员Ferran Macia在纽约大学进行的,其中包括:纽约城市学院(CCNY)博士候选人李世奇; CCNY教授Myriam Sarachik;哈维尔·特哈达(Javier Tejada),巴塞罗那大学教授; Shreya Mukherjee,佛罗里达大学博士研究生;佛罗里达大学教授George Christou。

该研究得到了美国国家科学基金会材料研究部门(DMR-1006575,DMR-0451605)和化学部门(CHE-0910472)的资助。



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