客观日本

中科院与日美合作研究明确固体制冷剂原子水平机理

2019年04月18日 化学材料
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中科院的Li Bing等人组成的研发小组与日本原子能研究机构J-PARC中心、日本大阪大学、美国加利福尼亚大学欧文分校(UCI)、上海交通大学、美国佛罗里达州立大学(FSU)、日本物质材料研究机构(NIMS)、日本高亮度光科学研究中心(JASRI)、北京高压科学研究中心(HPSTAR)、澳大利亚核科学和技术组织(ANSTO)以及中国国家同步辐射研究中心(NSRRC)联合研究发现,一些塑晶拥有巨大的压力热效应,可以作为新一代固体制冷剂的候选材料,同时还在原子水平上明确了其功能作用机理。

中科院与日美合作研究明确固体制冷剂原子水平机理

图1:采用压力热效应的冷却方式模式图

全球目前采用的主流冷却技术是使用气体制冷剂的蒸汽压缩方式。气体制冷剂会导致地球变暖等,环境负荷较大,因此亟需开发一种替代手段。作为较有希望的替代手段,采用基于热效应的固体制冷剂的冷却技术最近数十年备受关注。关于固体制冷剂,研究人员一直着眼于根据磁场和电场的变化产生热效应的物质,但伴随着压力变化而产生的“压力热效应”是所有固体材料都具有的效应,就这一意义而言,压力热效应是最普遍存在的。不过,此前研究的固体材料的热效应都不太大。

中科院与日美合作研究明确固体制冷剂原子水平机理

图2:塑晶的概念图

a:塑晶的概念图。分子在晶体内有序排列,但在各位置上,分子围绕重心自由旋转。

b:NPG的晶格(低温相)。

研发小组此次确认,名为“塑晶”的物质拥有巨大的压力热效应,在相对较低的压力下,其发热和吸热性能都达到以往的固体制冷剂的10倍左右。

研发小组利用J-PARC的中子束和SPring-8的X射线等进行解析,在原子水平上查明了其作用机理,即通过施加压力,塑晶内的分子和原子由“能在晶格内自由旋转的状态”,相变为“固定在晶格上,仅朝着特定方向振动的状态”,由此产生巨大的压力热效应。

中科院与日美合作研究明确固体制冷剂原子水平机理

图3:热效应材料的熵变

针对几种塑晶,首先测量了压力熵变。测量发现,塑晶显示出高达以往的热效应材料10倍左右的巨大熵变。

这种巨大的压力热效应有望用于新一代冷却技术。此次的研究在原子水平上明确了塑晶产生巨大压力热效应的机理,这是一项非常重要的成果,有助于开发新的冷却技术,比如探索能产生更大压力热效应的材料等。

相关论文已于2019年3月28日发表在英国科学期刊《自然》(Nature)上。(日文发布全文

文 JST客观日本编辑部

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