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据估计，冰箱，空调等制冷设备消耗了全世界25% 至30% 的电力。当今的制冷技术大多数依赖于气体压缩循环，因为压缩气体大多数为氟氯烃等温室气体，固态相变制冷技术被认为是最有希望的替代技术方案。然而，长期以来，固态相变制冷材料的性能却远远达不到应用的要求。
北京时间2019年3月28日，Nature上线了来自中科院沈阳金属所的李昺研究员与其合作者的研究论文，该文报道了一种新型的有机固体相变材料--塑料晶体(plastic crystals)用于制冷。此种材料较传统固态相变制冷材料高出一个数量级，并且这些材料极为廉价，驱动压力极低，具有十分诱人的应用前景。
第一作者：李昺
通讯作者：李昺
第一单位：中科院沈阳金属所
论文doi: 10.1038/s41586-019-1042-5
背景介绍在传统的冰箱中，气态制冷剂从液态变成气态，从冰箱内的空气中吸收能量并冷却。 然后，压缩机增加气体的压力和温度，在制冷剂返回到液相时，将吸收的能量以热空气的形式排出冰箱。 这就是传统的气体压缩制冷原理。最早所使用的压缩气体是臭名昭著的氟利昂---会导致地球臭氧层空洞。其替代品，氟氯烃或含氟碳氢化合物都是导致全球变暖的温室气体。固态相变制冷技术被认为是最有希望的替代技术方案。然而，长期以来，固态相变制冷材料的性能却远远达不到应用的要求。理想的固体相变材料，工程实现上要求最好是压力而非电或磁驱动制冷，且希望材料在较小的压力下产生较大的熵变。该文中报道的塑料晶体不是新材料。 它们的分子和其他晶体一样有规则的间隔，但是单个分子可以是随机取向的。 李昺表示，他的团队是第一个探索将塑料晶体用作制冷剂的团队，尽管研究人员几十年前就提出可以用塑料晶体储存热能。本文亮点首次提出塑料晶体可以通过与传统气体制冷剂类似的压力变化参与压缩制冷循环，这种压力导致的相变的制冷效应称之为庞压卡效应( colossal barocaloric effects)。
在一系列有机塑晶材料中发现了新戊二醇389 J kg−1 K−1的等温熵变，较其它固态相变制冷材料高出一个数量级。
这些材料极为廉价，驱动压力极低，具有十分诱人的应用前景。
运用高压中子散射、同步辐射X射线散射等手段，揭示出这一独特效应来源于全新的物理机制，即压力对分子取向无序的抑制。该效应的发现为寻找其它固相制冷材料提供了新的思路。
图文解析
图 1 具有庞压卡效应的塑料晶体用于下一代固态制冷技术。
图 2 新戊二醇分子的取向动力学。
图3 新戊二醇塑料晶体的非简谐晶体动力学。
图 4 压力诱导的新戊二醇相变及其动力学。
论文总结该文首次发现了塑料晶体中的压缩致冷效应，且探究了微观机理，为下一代的固体制冷技术指明了方向。佛罗里达州立大学的 Michael Shatruk 认为该工作十分有趣，但也指出熵变可能并不意味着温度变化，因为材料可能吸收大量热量而不能有效传递。李昺研究员表示同意，称其团队已经在研究这些工程问题，但他希望许多其他研究人员能和他一起探索塑料晶体如何成为实用的制冷剂。
作者介绍李昺，中国科学院金属研究所研究员、沈阳材料科学国家研究中心中子散射研究组PI，主要从事原子、分子及磁性无序材料的中子散射研究。1984年8月生，甘肃灵台人。2006年毕业于吉林大学材料物理专业，获学士学位；2012年，于中国科学院金属研究所获得博士学位，随后赴美国弗吉尼亚大学物理系从事博士后研究，2015年至2018年初，在日本散裂中子源（J-PARC）中子谱学组工作。2018年3月，加入中国科学院金属研究所磁性材料与磁学研究部。迄今，已在Nature、Nature Materials、 Nature Communications等刊物发表论文40余篇。曾获得中国科学院优秀博士论文奖、中国科学院院长奖学金优秀奖等多项奖励。
来源：rationalscience 研之成理
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMzE5MzQ1NQ==&mid=2649323039&idx=1&sn=a90bad69223f86ca31aa1b321b707b59&chksm=8ecefb1fb9b9720952ef7ea97edfa2008899523816786c4e2dbbee92e01c6ec6642f8d29f451&scene=27#wechat_redirect
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