保持涼爽而不使地球變暖
化學助理教授Jarad Mason和合著者Jinyoung Seo
化學助理教授Jarad Mason(左)和合著者Jinyoung Seo開發了一種新型固態製冷劑，可以實現節能和零排放冷卻。
一種革命性的新機制可以開啟環保空調夏天的難題就像所羅門王一樣:如何在高溫高濕的日子裡保持涼爽，而不使用傳統的空調，因為傳統空調消耗大量的電力，並排放強烈的導致氣候變化的溫室氣體。
答案可能涉及一種新型固態製冷劑，它可以實現節能和零排放的冷卻。現在，來自化學和化學生物學系的研究人員已經開發出一種環境友好的機制，可以用二維鈣鈦礦實現固態冷卻。他們的發現發表在《自然通訊》的一項新研究中。
該論文的第一作者、化學和化學生物學助理教授賈拉德·梅森(Jarad Mason)說:“放棄蒸汽壓縮系統已經使用了很長一段時間，這是推動更可持續未來的整體努力的關鍵部分。”“我們的重點是深入研究這些材料的內在特性，看看固態冷卻作為一種可持續的替代品有什麼可能性。”
這種二維鈣鈦礦也被稱為重熱量材料，當它們膨脹和收縮時，會隨着壓力的變化而釋放和吸收熱量。這種效應是基於一種你可能很熟悉的現象，如果你曾經拉伸過氣球，感覺它在你的嘴唇上變熱。同樣，這些材料在受壓時也會釋放熱量。在不釋放任何有害排放物的情況下，這種機制可以消除熱量在固態使用低驅動壓力。
這項工作由梅森實驗室的成員領導，包括Jinyoung Seo、Ryan D. McGillicuddy、Adam H. Slavney、Selena Zhang’22、Rahil Ukani和x射線實驗室主任Shao-Liang Zheng。該公司還與位於伊利諾伊州萊蒙特的阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的科學家合作進行了高級測試。
這種固態冷卻的新機制有可能克服傳統蒸氣壓縮冷卻技術的局限性，這種技術自20世紀初以來基本沒有改變。
任何一種製冷系統都在一個循環中運行，從低熵狀態(材料可以吸收熱量，從而冷卻空間)到高熵狀態(能量可以在散熱器中釋放，在散熱器中消散)。蒸汽壓縮空調循環揮發性液體製冷劑，這種製冷劑在不同的壓力下通過金屬盤管蒸發和冷凝，冷卻封閉的空間，並將熱量噴射到室外。運行蒸汽壓縮循環是能源密集型的，目前佔世界各地建築用電量的近20%。此外，泄漏的製冷劑是比二氧化碳強1000多倍的溫室氣體。
這種新機制(如圖)可以取代傳統的蒸汽壓縮冷卻技術，後者自20世紀初以來基本沒有改變。
該團隊確定二維鈣鈦礦是理想的替代品，因為它們可以在最小的壓力下發生可逆的相變，同時保持固體狀態;一種材料的熵改變越多，它的冷卻循環就越有效。當有機雙層結構的碳氫鏈在有序和無序狀態之間切換時，它們能夠經歷巨大的熵變化，研究小組預計，二維鈣鈦礦可以作為一種高度可調的固態冷卻材料，可以在比想象中更低的壓力下工作。
研究小組在他們的實驗室合成了這些材料，並在高壓量熱計中測試它們，以測量在不同的壓力和溫度下材料熱流的變化。這些實驗揭示了在一個潛在的製冷循環中可以除去多少熱量，以及需要多少壓力來驅動這個循環。
梅森說:“一旦我們開始測試這種材料，我們就意識到，我們可以用非常小的壓力變化來消除非常大的熱量。”“從那時起，我們就知道這裡會有一些有趣的東西。”
研究人員還在阿貢進行了高壓粉末x射線衍射實驗，以了解分子水平上的相變化。通過x射線同步加速器，研究小組能夠描述每種材料在不同溫度和壓力下的結構變化。
Seo說:“這些材料除了有前景的性能外，還值得研究。它們還可以幫助化學家理解對大規模實現這項技術至關重要的基本性質。”
梅森實驗室下一步計劃製作熱量冷卻裝置的原型，同時繼續探索不同材料的潛在用途。
徐教授表示:“很有可能在原型設備上使用新一代材料。”“我們正在努力開發新技術來應對冷卻挑戰。”
更多空調環保技術，請上科企島
