記者8月20日從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所李昺研究員團(tuán)隊(duì)最近在制冷材料領(lǐng)域取得一項(xiàng)重大突破——在一種名為六氟磷酸鉀的無機(jī)塑晶材料中，首次觀察到“全溫區(qū)壓卡效應(yīng)”，六氟磷酸鉀由此成為全球發(fā)現(xiàn)的首個(gè)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(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，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(xiàng)研究成果的科普動(dòng)畫截圖。中國科學(xué)院金屬研究所 供圖這項(xiàng)材料發(fā)現(xiàn)研究的重要成果論文，在最新一期國際學(xué)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(tuán)可以自由地隨機(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(相變)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌膯涡苯Y(jié)構(gòu)。對(duì)這些結(jié)構(gòu)施加壓力，均會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N菱方結(jié)構(gòu)，正是這些相變過程導(dǎo)致了強(qiáng)大的吸熱或放熱效應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)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(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)會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)過程會(huì)吸收或釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷。

固態(tài)相變制冷技術(shù)主要包括磁卡效應(yīng)(用磁場(chǎng)控制相變)、電卡效應(yīng)(用電場(chǎng)控制相變)、彈卡效應(yīng)(用機(jī)械應(yīng)力控制相變)、壓卡效應(yīng)(用壓力控制相變)。不過，這些方法都有一個(gè)共同的局限，即它們的制冷效應(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)(通常只有約正負(fù)10°C)。

本項(xiàng)研究的傳統(tǒng)壓卡效應(yīng)與全溫區(qū)壓卡效應(yīng)的比較。中國科學(xué)院金屬研究所 供圖研究團(tuán)隊(duì)指出，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，做成多級(jí)制冷裝置，這給科學(xué)家?guī)砗艽箅y題。本項(xiàng)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”。