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基于塑料晶体的制冷

2019-03-28 09:11:52 • 来源：

被称为塑料晶体的材料由通过弱长程力相互作用的分子组成。结果，这些材料是高度可压缩的并且可以以可逆的方式变形 - 因此形容词“塑料”。在一定的压力和温度条件下，塑料晶体中的分子几乎可以围绕其质心开始旋转。质心保持局限于晶格中明确定义和有序的位置，但旋转导致取向无序。在自然界的一篇论文中，李等人。图1报道了塑料晶体中分子有序和无序之间的相变可以通过施加小的压力用于冷却目的。

基于塑料晶体的制冷

传统的制冷技术基于温室气体交替压缩和膨胀的循环。一公斤典型的制冷剂气体对地球大气中的温室效应贡献了两吨二氧化碳，这相当于连续六个月不间断地运行汽车(参见go.nature.com/2ffbqvt)。此外，目前的冷却技术不能缩小到微芯片的尺寸，这阻碍了更快和更紧凑的计算机和便携式电子设备的发展。因此迫切需要找到环保且高度可扩展的冷却方法，以改进许多关键技术以及保护环境。

固态冷却是一种环保，节能和高度可扩展的技术，可以解决与当前制冷方法相关的大多数问题。它依赖于将外部磁场，电场或机械场的循环应用于称为热量材料的化合物。这些化合物由于场诱导的相变而经历温度变化，其涉及熵的大变化 - 紊乱的量度。

热量材料的实例包括铁电体2，有机 - 无机杂化钙钛矿3和快离子导体4。然而，大多数已知的卡路里材料并不理想。例如，一些仅具有适度的制冷性能，或者在不同于环境条件的温度下操作。而对于其他人来说，耐久性和循环速率会受到材料疲劳和相变滞后的影响 - 完成相变所需的条件取决于过渡的方向。因此，固态冷却的进展受到限制。

Li及其同事的工作为固态冷却领域提供了令人兴奋的前景。研究人员发现了与塑料晶体中发生的分子有序 - 无序相变相关的极大熵变。此外，他们发现这些过渡可以通过施加小的压力(大约10-100兆帕斯卡)在室温附近触发，因此可以用于制冷目的。

在原型热量材料中测量的典型的场诱导熵变化为每开尔文每公斤10焦耳。相比之下，Li等人发现的那些。塑料晶体的数量级为100J kg-1 K-1。例如，在室温附近报告的代表性塑料晶体新戊二醇的熵变为约390J kg-1 K-1，这导致大的温度变化(大约50K)。

可以直观地理解塑料晶体中巨大压力引起的熵变的基础的分子机制。当对无序(高熵)相施加压力时，分子旋转在几何上受到抑制;也就是说，分子之间的竞争性相互作用限制了它们可能的取向。结果，有序(低熵)相稳定。随之而来的熵减少是巨大的 - 与通常与晶体熔化相关的熵相似。相反，当去除压力时，分子恢复其旋转并且重新建立无序相，导致熵的同样大的增加。

以前的研究已经报道了与热量材料中压力驱动的有序 - 无序相变相关的巨大温度变化。例如，在快离子导体，这样的效果伴随从正相的超离子阶段，其中离子的导电性非常高的过渡5-7。然而，塑料晶体与其他热量材料完全不同，不仅仅是因为它们在室温附近发生巨大的熵变：它们便宜且易于生产，重量轻，无毒且有弹性。因此，它们似乎特别适合于在电子设备和移动应用中集成固态冷却。

然而，塑料晶体不是完美的热量材料。例如，鉴于它们的有机性质，它们具有相对低的熔点(通常约300-400K)8，这对于制冷应用是不希望的。此外，使塑料晶体高度可变形的特性意味着这些材料缺乏机械弹性以承受许多制冷循环。也许最重要的是，滞后和相位共存效应可能会削弱塑料晶体的冷却性能。如果我们要在商业制冷中使用塑料晶体，就需要分析这些技术问题并找到解决方案。

Li及其同事建议将外部压力和电场结合起来，以避免与塑料晶体相关的滞后问题。已经证明类似的策略适用于称为磁热材料的化合物，其中已经组合了机械磁场和磁场以消除不希望的滞后效应9。

然而，塑料晶体中的大多数分子是极性的事实并不能保证向这些材料施加电场将消除滞后效应。原因是可能需要非常大的电场(大约1,000千伏每厘米)来诱导对分子旋转的任何影响，如理论上已经在有机 - 无机杂化钙钛矿10中所示。这个问题的一个可能的解决方案可能是找到或设计铁电塑料晶体，其中有序相已经表现出集体极性顺序11。尽管存在这些挑战，Li及其同事的工作代表了寻找具有优势特性的其他热量材料的一步。

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