中国科学院金属研究所研究员李昺：在“冷”“热”中寻找新材料

科技日报记者 郝晓明

日前，第十七届中国青年科技奖揭晓，中国科学院金属研究所研究员李昺获得该项大奖。作为从事磁卡制冷材料、压卡制冷材料、零碳制冷技术和可控储热技术的基础研究与应用研发的科研人员，李昺已在国际主流学术刊物上发表学术论文70余篇，获得授权专利5项。

制冷技术起源于1900年前后发明的气体压缩制冷，为人类现代文明起到重要的推动作用。然而，面对日益严峻的排放与能耗问题，学术界和工业界均在积极寻求替代方案。基于固体材料磁卡、压卡效应的固态相变制冷技术应运而生，固体制冷剂相比于液态制冷剂将实现更少甚至无碳排放。然而长期以来，该类材料的性能与液态制冷剂相比存在巨大差距，成为制约该技术走向应用的瓶颈之一。

经过多年系统深入的研究工作，李昺最终发现在一系列塑晶材料中等温熵变最高可达687 J kg-1K-1，这类材料较传统固态相变制冷材料提高一个数量级，且明显高于目前大量使用的商业液体制冷剂R134a（约520 J kg-1K-1）。而熵变值越大意味着材料越不稳定，在制冷过程中吸收的热量越大，制冷效果越好。

以塑晶材料中的新戊二醇（C5H12O2）为例，李昺利用现代大科学装置表征技术，揭示出其独特的制冷效应来源于全新物理机制，即巨大的分子取向无序导致了固态相变处的熵变比熔化熵还大，无序自由度在系统总自由度的占比接近维持固体刚性的极限；分子间的弱相互作用导致极大的压缩性，微小压力即可驱动相变；强烈的晶格非谐性使得晶格的压力效应得以转化为熵变。李昺将这一发现命名为“庞压卡效应”。

当问起为什么要在压卡效应前加“庞”字时，李昺说：“‘庞’字是从英文colossal翻译过来的，是‘非常大’的意思，庞压卡效应就是指用更小的压力带来更大的热量变化，我们希望找到的这类材料是制冷效果极佳的一种材料。”

为了实现庞压卡效应的制冷应用，李昺进行了大量材料设计筛选工作，最终综合性能优异的碳硼烷和NH4I两类材料脱颖而出。他以此为制冷介质，研制出首个压卡制冷样机。热工模拟表明，经历一个循环之后，温度由300 K降至290 K，远超其他固态制冷材料的降温效果，这意味着庞压卡材料走向器件应用的前景越来越明朗。

在寻找高效制冷材料的同时，李昺也在积极研究如何将产生的热能更加有效的回收利用，将“制冷”与“控热”材料的研究完美地结合起来。

“如果将浪费的热能加以回收并利用，不但可以减少能源消耗，还可以降低碳排放。”在冷与热的穿梭中，李昺不断探寻着新的材料实现高效绿色制冷与储热。最后，他利用玻璃晶体材料发明了压力可控储热技术。他发明的材料与80℃余热热源接触，吸收热量后再将其放回到室温，无须任何隔热条件所吸收的热量即可稳定保存。需要释放热能时，只要对该材料施加微小的压力，即可立刻释放出所储存的热量，20秒内温度升高近48度，每1克材料就能释放大约150焦耳能量。