(中国科学院理化技术研究所 戴闻 编译自Ivan Amato. Physics，February 20, 2020)
热效应材料冷却技术具有环境友好特征，有可能取代传统制冷技术，但使其廉价和实用仍是一个重大挑战。
热效应材料制冷的核心工作物质是各种特色固体材料，它们在压力、电场或磁场的往复作用下，可以从制冷对象的冷端吸热，并将这些热量带到热端，进而放出热到环境中。上述固体制冷循环是环境友好的，与我们今天在冰箱和空调中使用的氟利昂类挥发性液体制冷剂不同。现行冰箱和空调，当它们被废弃时，泄漏的氟利昂等对气候变化产生的负面影响，甚至超过二氧化碳。
目前空调等蒸气压缩制冷设备消耗的电力占全球电力的20%。未来，如果没有制冷技术全球性改造，所有由开发利用太阳能(2018 年统计数据)创造的新电力供应，都将被新增的制冷设备消耗殆尽。
近年来，越来越多的候选热效应材料被发现，包括金属、陶瓷和塑料。热效应材料的温度变化由材料的微观结构熵的变化所决定，工作循环中它们受到磁场、电场或应力场的作用。例如，你可以通过施加外磁场——绝热磁化，令磁分子一致取向，来降低磁热材料中的磁熵。这是一个等熵过程，此过程原子晶格振动的熵增加，补偿磁分子取向之熵减，材料升温。
研究人员热衷于不同类型的热效应材料——电热、磁热或弹热效应材料。马里兰大学的Ichiro Takeuchi 现在正关注一类铜基材料，它们属于所谓的形状记忆合金(shape-memory alloy，SMA) 家族。制冷工质是一根根铅笔粗细的SMA合金管，合金管簇可以通过相对温和的挤压经历弹热温度变化，同时兼顾制冷循环所需的流体热交换。从机理角度研究此类合金，起初目的是地震预报；而Takeuchi 则试图利用SMA特性构建一台冷却葡萄酒的商用售货机。
宾夕法尼亚州立大学的Qi-ming Zhang 长期致力于电热材料的小规模薄结构的应用研究，例如用于冷却电子元器件。Zhang 一直试图将电热陶瓷和聚合物开发成廉价优质高效的冷却材料。2019 年他报告了使用弱电场在聚合物中产生大的电热效应(高达20 ℃)的进展。
美国能源部Ames 实验室的Vitalij Pecharsky 等曾经研制了一台基于Gd 合金工质的磁热制冷机原型。工质部件进出磁场以旋转方式完成循环，制冷机的功效达到了设计要求。现阶段面临磁体成本太高，但研究者对未来抱有信心。
英国一家初创公司Barocal，希望以其专有的压力—热效应材料推进固体制冷技术发展。这些弹热效应材料对静水压力的变化有加热和冷却反应。Barocal 原型设计的核心是所谓的“塑性晶体”，如新戊二醇(neopentyl glycol， NPG)。公司声称， 当压力达到1000 大气压时，Barocal的最佳材料会经历高达50 ℃的剧烈温度变化。研究人员指出，他们观察到的新材料压力感应的熵和热变化，与目前标准商用氢氟碳化合物制冷剂——挥发性液体制冷剂R134a——相比，结果相当。
研究人员还在继续寻求新型热效应材料，例如“多铁”材料。这些材料可以同时响应若干个外加作用，如磁场和压力共同作用，而不仅仅是一个。
在磁热循环开始时(见图上部)，外加磁场迫使材料中的磁分子取向一致，从而降低其磁熵。绝热磁化总体是等熵过程，作为对磁熵降低的补偿，晶格振动相关的熵增加，于是材料的温度升高，高出热沉ΔT，磁化热放出给高温热沉。随后，借助于热交换流体的帮助，工作物质连同外加磁场降低温度，温度降到与低温热沉一致。经历绝热去磁，撤除施加在工质材料的磁场，使磁分子的排列再度混乱。绝热去磁也是等熵过程，低温端的熵增需要晶格熵降低来补偿，工质降温ΔT。最后工质从低温端环境吸热，使得空调或电冰箱可以源源不断地将热量从低温端输送到高温端
本文选自《物理》2020年第4期
文章来源： 中国物理学会期刊网
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