炎炎夏日，空调与冰箱为我们带来清凉，但其依赖的气体压缩制冷技术，却存在高能耗、可能排放有害气体等问题。近日，中国科学院金属研究所李昺团队取得重大突破，发现了迄今为止唯一的全温区固态相变制冷材料——六氟磷酸钾（KPF6）。该材料凭借特殊的内部结构，可在极宽温区内发生压力诱导相变，进而产生制冷效应，成功打破了传统固态相变制冷材料只能在窄温区生效的技术壁垒。这一突破意味着无需再通过“多材料组合”搭建复杂装置，大幅简化了制冷系统结构、降低了应用成本，为开发新一代高效、环保的全固态制冷技术打开了全新大门。这一研究成果已于北京时间8月20日在《自然-通讯》（Nature Communications）正式发表。
据介绍，作为备受关注的替代方案之一，固态相变制冷技术虽具备无排放、理论效率高于气体压缩制冷等优势，却长期受限于一个关键技术瓶颈：传统固态相变制冷材料仅能在室温附近极窄的温区内发生压力诱导相变，制冷效应范围有限。在实际应用中，往往需要将多种不同相变温度的材料组合成多级制冷装置，才能实现大范围的温度变化，大幅增加了系统的复杂度与应用成本。
本项研究效果动画截图
与传统的气体压缩制冷技术相比，固态相变制冷技术具有理论效率高、绿色清洁、环保高效、零碳排放等独特优势。其核心原理在于，固体材料在磁场、电场或压力等“场”作用下，内部结构（称为“相”）会发生变化，并在此过程中吸收或释放热量，从而实现制冷。改变内部结构的技术主要包括：磁卡效应（用磁场控制相变）、电卡效应（用电场控制相变）、弹卡效应（用机械应力控制相变）、压卡效应（用压力控制相变）。然而，这些方法都有一个共同的局限：它们的制冷效应只发生在其“相变温度”附近一个很小的温度范围内（通常只有正负10开尔文左右，即约正负10摄氏度）。为了实现大范围的温度变化，必须把许多个不同相变温度的材料像串糖葫芦一样组合起来，做成多级制冷装置，这给科学家带来很大难题。
李昺团队发现的六氟磷酸钾材料成功突破了这一技术瓶颈。在这种材料中他们首次观察到了“全温区压卡效应”。通过施加压力，该材料能在从室温（约25°C）到液氮（-196°C）、液氢（-253°C）甚至液氦（-269°C）的低温区实现制冷效应。实验显示，六氟磷酸钾材料在室温常压下呈面心立方结构，其内部的六氟磷酸分子团可自由随机旋转；随着温度降低，它会经历两次内部结构变化（相变），转变为不同的单斜结构；而在压力作用下，这些结构又会转变为另外一种菱方结构。这一系列相变过程伴随显著的吸热或放热效应，从而实现了极宽的制冷温区覆盖。
传统压卡效应与全温区压卡效应的比较
全温区压卡效应的发现，从根本上改变了固态相变制冷依赖“多材料组合”的传统研发思路，不仅为冰箱、空调等民用制冷设备的节能化、环保化升级提供了新的技术路径，更有望为航空航天、量子科技、超导技术等前沿领域的低温需求提供全新解决方案。
作为固态制冷技术领域的一项重大突破，该成果为全球制冷技术发展与绿色低碳转型提供了崭新的“中国方案”。未来，随着技术的迭代升级与产业化落地，高效、零碳的中国制冷科技将逐步从实验室走向实际应用场景，既服务于前沿科技领域，也惠及民生需求，为全球能源转型和可持续发展贡献中国智慧、注入中国力量。
（光明日报全媒体记者刘勇 通讯员朱继宁 中国科学院金属研究所供图）
来源：光明日报全媒体记者刘勇 通讯员朱继宁 中国科学院金属研究所供图
原标题：《关于制冷，中国科研团队又有新突破！》
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