信息來源：Physics，作者：Ivan Amato
環境友好特征的固態熱效應材料制冷技術，是取代傳統制冷系統的潛在技術，但其合理價格且實用仍然是重大的挑戰。
U.S. Dept. of Energy, Ames Laboratory
1997年，在Gd5(Si2Ge2)材料中首次觀察到巨磁熱效應位于馬里蘭大學帕克分校的A型工程樣機高5英尺，它是解決全球變暖問題的部分解決方案之一。這個制冷原型的核心是一種可以通過擠壓和釋放來進行冷卻的熱效應制冷材料。這些類別的固態熱效應材料會響應壓力、電場或磁場作用而冷卻，可以在不加劇氣候變化的情況下滿足世界快速增長的降溫需求。在固態冷卻概念中完全沒有揮發性液體制冷劑，而揮發性液體制冷劑是目前所有冷卻技術的生命線，是全球變暖的主要因素。
隨著世界上數以億計的空調、冰箱、冷凍機和除濕機老化并被丟棄，它們的制冷劑大多泄漏到大氣中，這對太陽輻射的吸收比二氧化碳強大地多。每天，地球上汗流浹背的居民會安裝大約 260,000 臺新空調，按照這個速度至 2050 年，空調的數量可能會從目前的 12 億臺左右激增至 45 億臺。冷卻設備內的蒸汽壓縮系統已經消耗了全球約 20% 的電力，而這些電力的產生是人類二氧化碳排放的主要來源。如果沒有全球范圍內的冷卻技術改造，冷卻需求和供應的爆炸性增長注定會加劇全球變暖，而反過來又會增加對更多制冷的需求。這是一個惡性循環，已經破壞了世界應對氣候變化的諸多方面。舊金山慈善機構Climate Works Foundation的Jessica Brown表示：“(2018年)新增太陽能產生的所有新發電量，都被插電的新空調機組完全占用了。”該機構為應對氣候變化的努力提供資金。為了打斷這種循環狀態，馬里蘭大學材料科學家Ichiro Takeuchi（竹內一郎，A 型制冷測試裝置的共同創造者）和世界各地的其他研究人員、技術人員和企業家正在積極開發熱效應材料。他們希望通過類似于從真空管到晶體管的過渡，或用 LED取代白熾燈泡的轉變來引領冷卻技術，為了實現這一目標，他們必須找到具有一系列高難度系數特性的材料：足夠的冷卻能力、卓越的能源效率、足夠的抗故障性、足夠的成分可用性以及足夠低的成本。這對一種材料的要求非常高，但隨著對解決方案需求的日益增加，研究人員正在繼續尋找具有全部功能的熱效應材料。
01 無氣體冷卻
包括金屬、陶瓷和塑料等越來越多的候選熱效應材料相繼出現。熱效應材料的溫度變化是由于材料的微觀結構熵在循環磁場、電場或應力場作用下發生變化而引起的。例如，可以通過將磁疇與外加磁場對齊來降低磁熱材料中的磁熵。原子晶格振動的熵增加以補償，這導致了加熱；去除順序強化場，磁疇吸收了振動晶格的熵，使磁疇變得更加隨機排列(更高的熵)，溫度會下降。
訣竅是使用傳熱流體將循環的低磁熵階段產生的熱量分流到外部。然后，在高磁熵階段，熱交換系統必須改變方向，將已冷卻的傳熱流體輸送到制冷室或空調機組的冷卻盤管中。
U.S. Dept. of Energy, Ames Laboratory; APS/D. Ehrenstein
在磁熱冷卻循環開始時（頂行），施加的磁場使材料中的磁疇取向一致，從而降低了其磁熵。為了補償，與晶格振動相關的熵增加，材料升溫；用熱交換流體去除這些額外的熱量，然后降低材料的溫度（右下）；移除磁場，磁疇失去取向一致性，磁熵上升，降低了晶格的振動熵和溫度（左下）。冷工質在冷卻熱交換流體時升溫，熱交換流體流向冰箱或空調的線圈，最后工質從低溫端環境吸熱，使得空調或電冰箱可以源源不斷地將熱量從低溫端輸送到高溫端。
“基礎科學就在那里。我們知道該如何去做，”愛荷華州美國能源部艾姆斯實驗室的 Vitalij Pecharsky 說。“我們只是不知道如何以較低成本做到這一點。”例如，在磁熱材料領域中，還沒有人研發出一種足夠抗疲勞的材料，在足夠小的磁場驅動下可以產生足夠的冷卻量——且所有這些都價格合理，Pecharsky 說。但他和其他熱效應材料專家謹慎樂觀地認為，隨著時間的推移和足夠的研究保證，解決工程上的挑戰將會取得進展。研究人員對電、磁或彈性等類型的熱效應材料哪種最具前景看法不一。Takeuchi 現在押注于一類銅基材料，這些材料屬于所謂的形狀記憶合金 (SMA) 家族的一部分，可以通過相對溫和的擠壓產生彈性熱量溫度變化。Takeuchi 從一家日本公司獲得了合金樣品，該公司正在開發此種合金以幫助抑制地震中建筑物的運動。他說，這些材料將會以合理的價格大量供應，“你可以想象，如果材料是規模化生產的，那么我們就可以開展業務了。”
目前，他和研究生 David Catalini 正在將鉛筆粗細大小的空心 SMA管簇應用于他們的 A 型樣機中試驗，努力開發具有適度冷卻需求的原型設備，比如葡萄酒柜。這些管簇經歷了被（活塞）擠壓和釋放的循環，中空形式使得熱交換流體很容易通過它們。
I. Amato; I. Takeuchi/UMD
位于馬里蘭大學帕克分校Takeuchi 實驗室的冷卻系統測試臺（左）包括管狀彈性熱材料（右），它們會隨著受擠壓而改變溫度。賓夕法尼亞州立大學帕克分校（Penn State University, University Park）的Qiming Zhang教授是電卡材料領域的資深科學家。電場不會深入大多數固體中，因此電卡材料通常適用于小型設備的薄結構，例如用于冷卻電子元件的結構。在過去的 15 年里，Zhang教授一直試圖將電卡陶瓷和聚合物開發成足夠實用、足夠便宜、足夠耐用的冷卻材料。在波士頓舉行的材料研究學會 (MRS) 會議上，他報告了利用弱電場聚合物產生大電卡效應（高達 20°C）的進展。Pecharsky 對磁熱材料充滿信心。1990 年代，他和同事們與總部位于密爾沃基的航天公司合作，制造生產了基于磁場中旋轉的釓合金的磁制冷原型機。這一成就為熱效應材料制冷的可行性提供了原理證明，同時宇航公司試圖開發一種商業系統與蒸汽壓縮設備競爭，但該公司未能充分降低所需磁場的生產成本，所以他們最終在幾年前放棄了這個項目，航天工程師Steve Russek說。Pecharsky 承認磁制冷的道路將是漫長的，但他仍然相信目前的障礙是可以克服的。英國劍橋的創業公司Barocal希望利用其獨有的“壓卡效應”(BCE)材料加速技術開發。這些彈熱材料會隨著靜水壓力的變化而變暖或變冷。2019年11月，Barocal從139名參賽者中脫穎而出，躋身全球冷卻獎(Global Cooling Prize)挑戰賽的八名決賽選手之列，并獲得20萬美元獎金。該獎項主要由億萬富翁Richard Branson資助，旨在促進“超高效和氣候友好型住宅制冷解決方案”的開發。Barocal的原型機設計核心是如新戊二醇(NPG)材料的所謂“塑料晶體”，該公司稱其具有“巨大的壓卡制冷效應”。該公司總經理、劍橋大學機械工程師William Averdieck稱，Barocal最好的材料在施加1000個大氣壓的壓力下會形成高達50°C的巨大溫度變化(ΔT)。2019年4月，該公司的研究主管Xaviar Moya和合作者報告稱，他們在NPG中測量到的巨大壓卡效應源自于球狀分子在壓力下經歷劇烈且可逆的體積縮小重排的能力。研究人員指出，他們觀察到的壓力誘導的熵和熱變化比用最先進的壓卡材料測量的要好10倍，“與標準商用氫氟烴制冷劑R134a的觀測值相當”。在更早時候，Bing Li研究組及合作者們已在NPG材料中發現報告了相似的溫度變化結果。Averdieck承認1000大氣壓的工作壓力高得不切實際，即便如此，NPG極高的ΔT“給了我們繼續前進的信心”。該公司目前樣機的設計特點是在一個封閉的腔室中使用油基的塑料晶體顆粒懸浮液，腔室的壓力由活塞上下循環獲得。
使用當前蒸汽壓縮技術運行的冷卻設備總共消耗了全球約 20% 的電量。他們的溫室氣體制冷劑通常會泄露并加劇全球變暖。在未來幾十年中，除非創新者能夠開發出更環保的冷卻技術，否則預計還會有數十億臺此類設備被人們安裝使用。
研究人員將繼續尋求新型的熱效應材料。例如，一些研究者正在研究“多鐵”材料，這種材料可以同時響應磁場、壓力等多種外力作用而進行冷卻。來自賓夕法尼亞州立大學和克利夫蘭凱斯西儲大學的研究人員，描述了他們使用機器學習技術計算篩選了 由 18 種元素組成的1034 種潛在鐵合金的磁熱特性。Takeuchi 仍然把賭注押在彈熱合金上。即使在十年前，他也足夠樂觀，創辦了一家名為 Maryland Energy and Sensor Technology 的公司，目標是將彈熱制冷技術商業化。Takeuchi 樂觀的跡象是，他的實驗室里，幾個等待安裝彈熱制冷模塊的酒柜外殼正靠墻放置著。持續創新的動力是不容忽視的；在你閱讀這篇文章的時間內，一千多臺全新的空調已開始嗡嗡作響。參考文獻
1. I. Campbell et al., Solving the Global Cooling Challenge, report from the Rocky Mountain Institute (2018).
2. P. Lloveras et al., “Colossal barocaloric effects near room temperature in plastic crystals of neopentylglycol,” Nat. Commun. 10, 1803 (2019).
3. B. Li et al., “Colossal barocaloric effects in plastic crystals,” Nature 567, 506 (2019).
Ivan Amato，In Hot Pursuit of 21st Century Cooling，, Physics 13, 21.
https://physics.aps.org/articles/v13/21
制冷技術在生產生活等多領域均起到了至關重要的作用，聯合國統計數據表明全球每年25-30%的電力被用于制冷應用。溫室效應和能源危機的加劇，制約限制了傳統液體制冷劑的使用，提高了氣體壓縮制冷技術的能效要求，在氣候變化和經濟條件改善的推動下，對新型冷卻材料和技術的需求愈發強烈。美國能源部曾將多種固態制冷材料和技術列為未來制冷可行性技術替代的選擇模式，在傳統制冷劑限制或禁止使用的前提下，發展具有綠色環保、節能高效和穩定可靠的固態制冷新材料與新技術，會成為世界各國關注的焦點和挑戰。
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