Усиленный обратимый барокалорический эффект при низком давлении в твердых растворах неопентилпластичных кристаллов

Сделать охлаждение чище и экологичнее

Кондиционеры и холодильники поддерживают комфорт, но обычно используют газы, которые могут протекать и усиливать глобальное потепление. Ученые изучают твердые материалы, которые охлаждаются при разгружении, предлагая способ создать компактные и эффективные холодильники без вредных хладагентов. В этой работе показано, что точное смешивание трех простых органических молекул — родственных сахарным спиртам — приводит к новому твердому веществу, которое эффективно охлаждает при относительно низких давлениях и работает более стабильно, чем предыдущие кандидаты.

Как сжимаемые твердые тела могут заменить охлаждающие газы

Некоторые твердые тела нагреваются при сжатии и охлаждаются при разжатии. Это явление, известное как барокалорический эффект, можно использовать для перемещения тепла аналогично тому, как в обычных холодильниках применяется сжатие и расширение газов. Одним из особенно перспективных материалов является неопентилгликоль (NPG) — небольшая органическая молекула, образующая «пластичный кристалл», в котором молекулы могут переориентироваться, как вращающиеся юлы. Когда NPG переключается между более упорядоченным и более неупорядоченным состоянием, он обменивается значительным количеством тепла, что делает его привлекательным для твердотельного охлаждения. Однако температура перехода и высокие давления, необходимые для надежной работы, затрудняют его применение в практических устройствах.

Смешивание простых молекул для настройки свойств

Исследователи решили эту проблему, смешав NPG с двумя близкими по строению молекулами — пентаглицерином (PG) и пентаэритритолом (PE). Все три имеют сходные тетраэдрические формы, но различное число гидроксильных (–OH) групп, которые определяют, как молекулы сцепляются через водородные связи в твердом состоянии. Начав с 60:40 смеси NPG и PG и добавив всего 2% PE, они получили стабильный «тернарный» твердый раствор, который по-прежнему демонстрирует колоссальный барокалорический эффект, но теперь при более подходящей температуре и при умеренных давлениях. Ключевой результат в том, что процесс теплообмена становится гораздо более обратимым: по сравнению с чистым NPG при том же давлении новая смесь обеспечивает примерно в семь раз больше полезной, повторяемой охлаждающей мощности на температурном окне примерно в двадцать раз шире.

Что происходит внутри материала во время работы

Чтобы понять, почему такое небольшое изменение состава дает большой эффект, команда изучила и структуру, и движения внутри кристаллов. Синхротронная рентгеновская дифракция показала, что при нагревании материал постепенно превращается из аккуратного слоистого кристалла в более симметричный, сильно неупорядоченный пластичный кристалл. В тернарной смеси этот переход растянут примерно на 30 градусов Цельсия, при этом обе фазы сосуществуют в широком диапазоне. Это расширенное сосуществование смягчает переход, уменьшая резкое «включение–выключение», вызывающее гистерезис и потери энергии в более простых материалах. Дополнительные молекулы PE тонко искажают сеть водородных связей, особенно по некоторым кристаллографическим направлениям, что, по-видимому, облегчает зарождение и рост областей новой фазы.

Наблюдение за тепловыми пятнами и молекулярными движениями

Инфракрасные камеры показали, как фазовый переход распространяется по образцам при охлаждении. Чистый NPG обычно переключается несколькими длинными, игольчатыми фронтами, тогда как смешанные кристаллы демонстрируют множество мелких, разбросанных горячих точек, которые вспыхивают и гаснут. Это указывает на намного большую плотность центров нуклеации, где может начаться новая фаза, и объясняет более плавный, постепенный переход. Эксперименты по рассеянию нейтронов, чувствительные к движениям атомов водорода, дополнительно показали, что энергетические барьеры для ключевых молекулярных вращений в тернарной смеси на до 50% ниже, чем в чистом NPG. Другими словами, молекулам в смешанном кристалле легче начинать переориентацию — и, следовательно, запасать или выделять тепло — при меньших энергетических затратах, что поддерживает эффективную работу при низком давлении.

Почему это важно для будущих твердотельных холодильников

Проще говоря, эта работа показывает, что путем смешивания и легкого «легирования» близких по строению молекул ученые могут укротить иначе капризный охладительный материал, сделав его более надежным и эффективным при реалистичных давлениях. Новая смесь NPG–PG–PE в соотношении 60:38:2 сохраняет сильный охлаждающий эффект NPG, но расширяет полезный температурный диапазон и значительно улучшает обратимость, повышая практическую охлаждающую способность примерно в семьдесят раз при одном килобарe давления. Поскольку существует множество семейств аналогичных пластичных кристаллов и родственных молекулярных твердых тел, такая стратегия изменения состава может направить разработку следующего поколения экологичных твердотельных холодильников и тепловых насосов.

Цитирование: Rendell-Bhatti, F., Dilshad, M., Beck, C. et al. Enhanced reversible barocaloric effect at low pressure in neopentyl plastic crystal solid solutions. Commun Mater 7, 72 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01084-2

Ключевые слова: барокалорическое охлаждение, пластичные кристаллы, твердотельное охлаждение, сети водородных связей, смеси неопентилгликоля