傳統(tǒng)的冰箱和空調(diào)使用的氣體壓縮制冷技術(shù)存在能耗高等問(wèn)題。為此,全球的科學(xué)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(xiàng)技術(shù)的核心是利用固體材料的一種特性:當(dāng)外界施加不同的“場(chǎng)”(如磁場(chǎng)、電場(chǎng)或壓力)時(shí),材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(稱為“相”)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,F(xiàn)有的這些方法都有一個(gè)共同的局限:它們的制冷效應(yīng)只發(fā)生在其“相變溫度”附近一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)(通常只有正負(fù)10開(kāi)爾文左右,即約正負(fù)10攝氏度)。為了實(shí)現(xiàn)大范圍的溫度變化,必須把許多個(gè)不同相變溫度的材料像串糖葫蘆一樣組合起來(lái),做成多級(jí)制冷裝置,這給科學(xué)家?guī)?lái)很大難題。
近日,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所科研團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)重要突破。他們?cè)谝环N名為六氟磷酸鉀(KPF6)的無(wú)機(jī)塑晶材料中,首次觀察到了“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)實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng),這是迄今為止唯一的全溫區(qū)固態(tài)相變制冷材料。
KPF6材料在室溫常壓下是一種面心立方結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的PF6分子團(tuán)可以自由地隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)溫度降低或壓力增大時(shí),它會(huì)經(jīng)歷兩次結(jié)構(gòu)變化(相變),轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌膯涡苯Y(jié)構(gòu)。正是這些相變過(guò)程導(dǎo)致了強(qiáng)大的吸熱或放熱效應(yīng)。
▲傳統(tǒng)壓卡效應(yīng)與全溫區(qū)壓卡效應(yīng)的比較
這項(xiàng)研究成果為開(kāi)發(fā)新一代高效、環(huán)保的全固態(tài)制冷技術(shù)提供了重要的支撐。