热尽其用——冷暖相济的庞压卡效应

来源:中科院半导体所发布时间:2023-02-191246浏览

来源公众号中国科普博览（ID: kepubolan），如需转载请联系原作者授权

原文作者：李昺

“热尽其用”——顾名思义，就是探求可行的方法来提高热能的综合利用效率。近日，笔者在塑晶材料中发现，庞压卡效应可用作新型制冷材料。这种材料，不仅可以实现零碳制冷，消除制冷领域的环境危害，还可以实现余热的收集和再利用，达到降低碳排放、提高能源利用率的目的。

Part.1

什么是热？

热是一种形式的能量，这种形式的能量可以由温度来刻画，温度越高，所蕴含的热能就越多。热能看得见、摸得着。如果以长征五号火箭发射的画面为例，可以判断火箭尾端的火焰温度非常高，因为它的热辐射很高，所以说我们通过它的颜色就可以辨别出它的温度。同时，热也摸得着，如果用手去触摸热的东西，会感到东西发烫。

长征五号火箭发射图（图片来源：人民网）从微观角度来讲，热能反映了组成物质的原子或者分子，微观运动的剧烈程度，运动的剧烈程度越强，材料所蕴含的热能就越多，其温度就越高。热有一个特点，它和水一样，总是往低处走，这是由热力学第二定律所决定的。热力学的奠基人和“熵”的概念创造者克劳修斯曾经指出，热量是自发地从高温物体向低温物体转移，它们最终会在中间的温度达到平衡。

热在我们生活中扮演了不可或缺的重要角色。如果我们的目标温度低于环境温度，这就是制冷；如果我们的目标温度高于环境温度，那就是制热。

Part.2

制冷的前世今生

大家可以想象，如果想冷冻一个东西，我们就得从其中拿出热量，从而实现制冷。在我国战国时期曾经就已经发明了一种青铜器——“冰鉴”，这种青铜器里有一个夹层，这个夹层是专门用来盛放冰的，这是现在发现的最原始的“冰箱”。但从严格意义上讲，它并不是一个冰箱，因为要用它首先需要有冰，这并不是主动制冷。真正意义上的主动制冷是在第一次工业革命之后，由于蒸汽机被发明出来，人类第一次有了动力。利用蒸汽机动力来制造真空，从而加速像乙醚这样易挥发的物质的挥发过程，利用挥发吸热得原理就达到了制冷的目的。这是人类第一次可以用主动的方式实现制冷，而我们现代意义上的冰箱则是在1927年才被发明出来的！

（图片来源：Veer图库）

Part.3

制热——人类发展史的见证者

相比于制冷，制热更能反映我们整个人类的发展历史。从远古时期先民钻木取火开始，到第一次工业革命前后煤炭的大量使用，蒸汽动力极大地推动了人类的进步，再到最近这些年来，石油、天然气的大量使用，“制热”对于现代生活产生的影响是巨大的。

（图片来源：Veer图库）

在目前热能利用领域的基本格局中，我们的初级能源中大概31%的初级能源被用来产生热，而同时在其他工业门类里又有28%的能量以热能的形式散失掉。热能生产占据全社会总碳排放量的30%左右。

（图片来源：Veer图库）这就带来一个很有意思的问题，叫热能悖论——如果将能源利用过程中损失的热能加以利用，来弥补热能生产，不但节约了能源，也减少了热能生产过程中产生的碳排放。那么，有没有方法实现这个奇思妙想呢？

Part.4

何谓庞压卡效应

笔者发现了庞压卡效应这一新的材料性质。说到庞压卡效应，就需要先解释一下什么是塑晶材料。这是一种非常特殊的固体材料，由高速旋转的、无序的有机分子组成。这种材料很软，只需要施加一个很小的压力，这些有机分子的高能量状态就会被抑制，材料变成低能量状态，从而释放出大量的热量。李昺将这种通过较小压力诱导出的显著相变制冷效应的现象命名为庞压卡效应。利用庞压卡效应，笔者带领团队设计了首个压卡制冷样机。庞压卡制冷技术跟传统的气体压缩制冷技术相比，在整个制冷过程中，材料都处于固体状态，这个过程中没有任何气体参与，显然就不会有我们所关心的碳排放和臭氧破坏的问题。在研究制冷技术的同时，笔者也在思考如何才能高效回收利用产生的热能，进而实现上文中所提到的奇思妙想。通过实验，笔者发现塑晶材料中有一类材料在80摄氏度左右开始存储热量变成塑晶态，在室温环境中，施加约6兆帕的微小压力（相当于我们用手捏一个物体的力）就可以诱发塑晶态向常规晶体状态转变，在极短的时间内便可释放出其所储存的大量热量，20秒内温度可以升高48摄氏度。这就是一个完整的塑晶材料吸放热过程——加热吸收热量、冷却锁定热量、加压释放热量。众所周知，各种工业流程和大型数据中心都会消耗大量的能源，与此同时产生的热量需要进行散热或者冷却，这本身就是对能源的极大浪费，也会带来大量的碳排放。而基于这一类技术，如果能够实现对工业流程余热、大型数据中心的余热、地热资源以及日照资源等热能的吸收、储存、和再利用，进而实现对热能的有序调控，这对碳中和乃至于地球环境保护的意义是非常巨大的。