近日,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員李昺團(tuán)隊(duì)在一種名為六氟磷酸鉀(KPF6)的無(wú)機(jī)塑晶材料中,首次觀察到“全溫區(qū)壓卡效應(yīng)”。由此,KPF6成為全球首個(gè)全域制冷材料,為開(kāi)發(fā)新一代高效、環(huán)保的全固態(tài)制冷技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然-通訊》。
傳統(tǒng)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(wèn)題。而固態(tài)相變制冷技術(shù)是一種前景廣闊的替代解決方案。
這項(xiàng)技術(shù)的核心是利用固體材料的特性,即當(dāng)外界施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)或壓力等不同“場(chǎng)”時(shí),材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,這個(gè)過(guò)程會(huì)吸收或釋放熱量,從而實(shí)現(xiàn)制冷。改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)主要包括磁卡效應(yīng)、電卡效應(yīng)、彈卡效應(yīng)、壓卡效應(yīng)等,但這些方法都有一個(gè)共同局限,即制冷效應(yīng)只發(fā)生在“相變溫度”附近一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)大范圍溫度變化,必須把多個(gè)不同相變溫度的材料組合起來(lái),做成多級(jí)制冷裝置,這給科學(xué)家?guī)?lái)很大挑戰(zhàn)。
團(tuán)隊(duì)在KPF6無(wú)機(jī)塑晶材料中,首次觀察到“全溫區(qū)壓卡效應(yīng)”。通過(guò)施加壓力,KPF6能在從室溫(約25℃)到液氮(-196℃)、液氫(-253℃)甚至液氦(-269℃)的極低溫區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)制冷,這是迄今唯一的全溫區(qū)固態(tài)相變制冷材料。
研究人員介紹,KPF6在室溫常壓下是一種面心立方結(jié)構(gòu),內(nèi)部的六氟磷酸分子團(tuán)可以自由隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)溫度降低時(shí),它會(huì)經(jīng)歷兩次內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌膯涡苯Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)受到壓力,均會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N菱方結(jié)構(gòu)。正是這些相變過(guò)程,產(chǎn)生了強(qiáng)大的吸熱或放熱效應(yīng)。
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