炎炎夏日，空調與冰箱為我們帶來清涼，但其依賴的氣體壓縮製冷技術，卻存在高能耗、可能排放有害氣體等問題。近日，中國科學院金屬研究所李昺團隊取得重大突破，發現了迄今為止唯一的全溫區固態相變製冷材料——六氟磷酸鉀（KPF6）。該材料憑藉特殊的內部結構，可在極寬溫區內發生壓力誘導相變，進而產生製冷效應，成功打破了傳統固態相變製冷材料只能在窄溫區生效的技術壁壘。這一突破意味着無需再通過“多材料組合”搭建複雜裝置，大幅簡化了製冷系統結構、降低了應用成本，為開發新一代高效、環保的全固態製冷技術打開了全新大門。這一研究成果已於北京時間8月20日在《自然-通訊》（Nature Communications）正式發表。
據介紹，作為備受關注的替代方案之一，固態相變製冷技術雖具備無排放、理論效率高於氣體壓縮製冷等優勢，卻長期受限於一個關鍵技術瓶頸：傳統固態相變製冷材料僅能在室溫附近極窄的溫區內發生壓力誘導相變，製冷效應範圍有限。在實際應用中，往往需要將多種不同相變溫度的材料組合成多級製冷裝置，才能實現大範圍的溫度變化，大幅增加了系統的複雜度與應用成本。
本項研究效果動畫截圖
與傳統的氣體壓縮製冷技術相比，固態相變製冷技術具有理論效率高、綠色清潔、環保高效、零碳排放等獨特優勢。其核心原理在於，固體材料在磁場、電場或壓力等“場”作用下，內部結構（稱為“相”）會發生變化，並在此過程中吸收或釋放熱量，從而實現製冷。改變內部結構的技術主要包括：磁卡效應（用磁場控制相變）、電卡效應（用電場控制相變）、彈卡效應（用機械應力控制相變）、壓卡效應（用壓力控制相變）。然而，這些方法都有一個共同的局限：它們的製冷效應只發生在其“相變溫度”附近一個很小的溫度範圍內（通常只有正負10開爾文左右，即約正負10攝氏度）。為了實現大範圍的溫度變化，必須把許多個不同相變溫度的材料像串糖葫蘆一樣組合起來，做成多級製冷裝置，這給科學家帶來很大難題。
李昺團隊發現的六氟磷酸鉀材料成功突破了這一技術瓶頸。在這種材料中他們首次觀察到了“全溫區壓卡效應”。通過施加壓力，該材料能在從室溫（約25°C）到液氮（-196°C）、液氫（-253°C）甚至液氦（-269°C）的低溫區實現製冷效應。實驗顯示，六氟磷酸鉀材料在室溫常壓下呈面心立方結構，其內部的六氟磷酸分子團可自由隨機旋轉；隨着溫度降低，它會經歷兩次內部結構變化（相變），轉變為不同的單斜結構；而在壓力作用下，這些結構又會轉變為另外一種菱方結構。這一系列相變過程伴隨顯著的吸熱或放熱效應，從而實現了極寬的製冷溫區覆蓋。
傳統壓卡效應與全溫區壓卡效應的比較
全溫區壓卡效應的發現，從根本上改變了固態相變製冷依賴“多材料組合”的傳統研發思路，不僅為冰箱、空調等民用製冷設備的節能化、環保化升級提供了新的技術路徑，更有望為航空航天、量子科技、超導技術等前沿領域的低溫需求提供全新解決方案。
作為固態製冷技術領域的一項重大突破，該成果為全球製冷技術發展與綠色低碳轉型提供了嶄新的“中國方案”。未來，隨着技術的迭代升級與產業化落地，高效、零碳的中國製冷科技將逐步從實驗室走向實際應用場景，既服務於前沿科技領域，也惠及民生需求，為全球能源轉型和可持續發展貢獻中國智慧、注入中國力量。
（光明日報全媒體記者劉勇 通訊員朱繼寧 中國科學院金屬研究所供圖）
來源：光明日報全媒體記者劉勇 通訊員朱繼寧 中國科學院金屬研究所供圖
原標題：《關於製冷，中國科研團隊又有新突破！》
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來源：光明日報
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