中科院科學(xué)家研究提出綠色制冷新思路

　　去年，中國科學(xué)院科學(xué)家團(tuán)隊(duì)——合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料物理與器件研究部科研團(tuán)隊(duì)突破“固態(tài)-固態(tài)”相變制冷材料研究的傳統(tǒng)思維，提出了“通過靜水壓驅(qū)動液-固相變實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)”（液態(tài)-固態(tài)）創(chuàng)新思想，在正構(gòu)烷烴體系中獲得了室溫龐壓卡效應(yīng)。該研究為發(fā)展綠色環(huán)保的新型制冷技術(shù)開辟了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　現(xiàn)有制冷設(shè)備主要采用氣體壓縮循環(huán)技術(shù)，通過制冷劑達(dá)到制冷效果。目前，第一代制冷劑氟利昂因破壞臭氧層已基本停用。第二代制冷劑以氫氟碳化物為主，應(yīng)用于食品儲存、空調(diào)、工業(yè)制造、醫(yī)療等領(lǐng)域。然而，氫氟碳化物的全球變暖潛能值是二氧化碳的幾百至上萬倍，具有強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)能力。發(fā)展綠色環(huán)保的新型制冷技術(shù)將是解決當(dāng)前氣候變化問題、實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要一環(huán)。

　　固態(tài)相變材料在磁場、電場、單軸壓和凈水壓（壓力）等外場驅(qū)動下會迅速發(fā)生熱響應(yīng)（等溫熵變和絕熱溫變），即固態(tài)相變熱效應(yīng)。該效應(yīng)可從周邊環(huán)境中吸熱和放熱，利用吸熱過程可產(chǎn)生制冷效果。這類材料對環(huán)境影響極小，因而固態(tài)相變熱效應(yīng)為研發(fā)新一代綠色制冷技術(shù)提供了理論依據(jù)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)有固態(tài)相變制冷材料的制冷性能仍然難以與傳統(tǒng)氣體制冷劑匹敵，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

　　固態(tài)、液態(tài)是兩種常見的物質(zhì)形態(tài)。由于兩態(tài)之間的分子、原子有序度存在差異，液-固相變時(shí)伴隨著巨大的熵變，遠(yuǎn)高于固態(tài)相變時(shí)發(fā)生的熵變。同時(shí)，由于液、固態(tài)的密度差異較大，相變時(shí)體積也會發(fā)生顯著變化，使相變溫度對壓力敏感，因此可以通過施加壓力進(jìn)行驅(qū)動，從而發(fā)生巨大熱響應(yīng)（即壓卡效應(yīng)）。

　　受到上述液態(tài)-固態(tài)相變特征的啟發(fā)，固體所研究團(tuán)隊(duì)首次提出了利用壓力驅(qū)動液-固相變實(shí)現(xiàn)龐壓卡效應(yīng)的創(chuàng)新思路（專利：一種基于固液相變材料的、壓力驅(qū)動的制冷方法），在正構(gòu)烷烴（石蠟的主要化學(xué)成分）中發(fā)現(xiàn)了低壓力驅(qū)動的龐壓卡效應(yīng)：低至50兆帕的壓力便可驅(qū)動正構(gòu)烷烴產(chǎn)生高達(dá)700 JK-1kg-1的等溫熵變，該值是已知固態(tài)相變壓卡材料最高值的三倍以上，甚至超越了部分商用氣體制冷劑的對應(yīng)值（氫氟碳化物：400-800 JK-1kg-1）；該壓力下驅(qū)動的絕熱溫變也達(dá)到現(xiàn)有壓卡材料的最高值。

　　此外，研究發(fā)現(xiàn)，無論是固態(tài)還是液態(tài)，施加壓力時(shí)正構(gòu)烷烴內(nèi)部均可形成靜水壓，避免了使用時(shí)傳壓介質(zhì)的添加，因而可提高冷量密度，便于制冷設(shè)備的小型化；正構(gòu)烷烴成本低廉，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，工作溫窗可調(diào)，相變過程可逆且不產(chǎn)生有害排放。該類材料在相變制冷領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

　　為探究現(xiàn)象背后的科學(xué)原理，結(jié)合理論計(jì)算和壓力下拉曼光譜研究，科研人員對上述材料中的龐壓卡效應(yīng)給出了理論解釋。固態(tài)正構(gòu)烷烴分子主要以直鏈的形式存在。而在液態(tài)，分子鏈中的部分碳-碳鍵以最近鄰的碳-碳鍵為軸旋轉(zhuǎn)120度，長分子鏈發(fā)生扭曲。分子鏈中不同位置的碳-碳鍵均可發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)，具有多種組合方式，導(dǎo)致單個(gè)長鏈分子存在數(shù)百種不同的形狀（即構(gòu)象）。除了熱運(yùn)動外，分子構(gòu)象之間也在不斷地轉(zhuǎn)換，從而形成了巨大的熵（構(gòu)型熵）。在液態(tài)施加壓力，分子間距減小，分子間相互作用增強(qiáng)，熱運(yùn)動和分子鏈扭曲均被抑制，分子構(gòu)象數(shù)量減少。當(dāng)壓力增加到臨界值時(shí)，液-固相變發(fā)生，分子基本全部變成直鏈，且有序排列，構(gòu)型熵被充分抑制，產(chǎn)生巨大熵變，即龐壓卡效應(yīng)。

　　該研究為研發(fā)基于壓卡效應(yīng)的新型綠色制冷技術(shù)提供了新思路，奠定了材料基礎(chǔ)，并為探索性能更加優(yōu)異的新型龐壓卡材料指明了方向。研究工作得到中科院前沿重點(diǎn)研究計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以及國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和大科學(xué)裝置科學(xué)研究聯(lián)合基金等的支持。