記者8月20日從中國科學院金屬研究所獲悉，該所李昺研究員團隊最近在制冷材料領(lǐng)域取得一項重大突破——在一種名為六氟磷酸鉀的無機塑晶材料中，首次觀察到“全溫區(qū)壓卡效應”，六氟磷酸鉀由此成為全球發(fā)現(xiàn)的首個全域制冷材料。

通過施加壓力，六氟磷酸鉀能在室溫(約25°C)到液氮(-196°C)、液氫(-253°C)甚至液氦(-269°C)的寬溫區(qū)實現(xiàn)制冷效應，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一的全溫區(qū)固態(tài)相變制冷材料，為開發(fā)新一代高效、環(huán)保的全固態(tài)制冷技術(shù)打開了全新的大門。

本項研究成果的科普動畫截圖。中國科學院金屬研究所 供圖這項材料發(fā)現(xiàn)研究的重要成果論文，在最新一期國際學術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上線發(fā)表。

論文共同通訊作者李昺研究員表示，六氟磷酸鉀材料在室溫常壓下是一種面心立方結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的六氟磷酸分子團可以自由地隨機旋轉(zhuǎn)。當溫度降低時，它會經(jīng)歷兩次內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化(相變)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌膯涡苯Y(jié)構(gòu)。對這些結(jié)構(gòu)施加壓力，均會轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N菱方結(jié)構(gòu)，正是這些相變過程導致了強大的吸熱或放熱效應。

研究團隊介紹說，傳統(tǒng)的冰箱和空調(diào)使用的氣體壓縮制冷技術(shù)存在能耗高、可能排放有害氣體等問題。為此，全球的科學家和工程師都在努力尋找更優(yōu)的替代方案，固態(tài)相變制冷技術(shù)就是其中一種前景廣闊的解決方案。這項技術(shù)的核心是利用固體材料的一種特性：當外界施加不同的“場”(如磁場、電場或壓力)時，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這個過程會吸收或釋放熱量，從而實現(xiàn)制冷。

固態(tài)相變制冷技術(shù)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)。不過，這些方法都有一個共同的局限，即它們的制冷效應只發(fā)生在其“相變溫度”附近一個很小的溫度范圍內(nèi)(通常只有約正負10°C)。

本項研究的傳統(tǒng)壓卡效應與全溫區(qū)壓卡效應的比較。中國科學院金屬研究所 供圖研究團隊指出，為了實現(xiàn)大范圍的溫度變化，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，做成多級制冷裝置，這給科學家?guī)砗艽箅y題。本項研究發(fā)現(xiàn)的全域制冷材料六氟磷酸鉀，則可以說是找到了破解難題的“鑰匙”。