CSNS高能非彈譜儀團隊聯合金屬所《Nat. Commun.》在壓卡材料領域取得重要進展

導讀：

在生活、生產過程中，制冷設備的能耗占總能耗的25%以上。目前，廣泛應用的制冷設備主要借助氣體壓縮制冷技術，其能效較低，且會產生溫室氣體和臭氧破壞等環境問題。基于固態相變的熱效應，包括磁卡、電卡、彈卡和壓卡效應等，被認為是一類可以提高能效并降低環境影響的新型制冷技術，有望為我國實現“碳達峰、碳中和”的戰略目標做出貢獻。目前，限制固態相變制冷技術走向應用的一個重要障礙是當前主流材料均需要較大的驅動外場，包括磁場、電場、應力和壓力等。近年來，有機塑晶材料中龐壓卡效應的發現，使得驅動壓力大幅降低至 100 MPa左右，然而這與實際應用仍有較大差距。因此，尋找具有更小驅動壓力的壓卡制冷材料成為當下壓卡制冷技術發展的一個重要挑戰。

成果掠影

近日，中國科學院高能物理研究所中國散裂中子源（CSNS）高能非彈譜儀團隊聯合中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心龐壓卡制冷材料研究團隊以及澳大利亞核科技組織Dehong?Yu博士等，在NH₄I中發現其α?β相變在室溫附近可以產生~71 J K^-1?kg^-1的巨大等溫熵變，且該相變溫度對外加壓力非常敏感，值高達~0.79 K MPa^-1?(圖1)。這個高度敏感的相變溫度，不僅賦予該材料非常小的飽和可逆驅動壓力（~40 MPa），而且可以在室溫附近實現很寬的工作溫度窗口。通過中子散射技術對微觀結構與動力學的研究發現，該化合物中存在極強的分子取向無序-晶格振動耦合效應。正是這種強耦合效應的存在，可以很容易地通過外加壓力驅動其晶格變化并抑制其銨基分子的取向無序運動，最終產生超敏感的壓卡效應。

數據概況

圖1. NH₄I的相變溫度壓力敏感性、飽和可逆驅動壓力和壓卡強度等與其它壓卡材料的對比。

圖2. NH₄I化合物中的相變與晶格動力學行為。a, 非彈性中子散射測量的三個不同相變區間的動力學結構因子；b,c, 彈性能量區間獲得的衍射譜隨溫度的變化;?d, 原子均方位移在不同相區間表現出不同的溫度依賴性; e, 不同相變區間準彈性展寬。

圖3. 準彈性中子散射（QENS）數據分析：銨基分子在γ相中處于有序態；在β相中存在較慢的取向無序運動，且激活能較大；而在α相表現出更快的取向無序運動，激活能較小。

圖4. 通過中子散射測得的聲子態密度隨溫度的變化，揭示出很強的聲子非諧效應。

圖5. 300 K溫度下準彈性展寬與聲子態密度對外加壓力的響應。

該工作揭示了分子取向無序與聲子振動之間的極強耦合效應在壓力驅動的有序-無序相變過程中起著重要作用，在有望為尋找高性能且低驅動壓力的新型壓卡材料提供新的思路。相關研究成果以“Ultrasensitive barocaloric material for room-temperature solid-state refrigeration”為題在線發表于Nature子刊《Nature Communications》。高能所任清勇副研究員和金屬所齊跡博士生為該工作的共同第一作者，童欣研究員和李昺研究員為共同通訊作者。該項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院、遼寧省、廣東省、沈陽市、東莞市、高能所以及澳大利亞核科技組織等的資助和支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29997-9