在低压力下具有增强可逆压热效应的新戊二醇塑料晶体固溶体

让制冷更清洁、更环保

空调和冰箱让我们舒适，但它们通常依赖会泄漏并加剧全球变暖的气体。科学家正在探索在受压时能降温的固体材料，这为制造不含有害制冷剂的紧凑高效冰箱提供了一条途径。本文展示了将三种简单有机分子——类似糖醇的近亲——精心混合后，得到一种新固体，该固体在相对较低的压力下高效制冷，并比早期候选材料更可靠。

可压缩固体如何替代制冷气体

某些固体在压缩时会升温、释放压力时会降温。这种行为被称为压热效应，可像传统冰箱利用气体压缩与膨胀搬运热量那样被利用于固态制冷。一种特别有前景的材料是新戊二醇（NPG），它是一种小有机分子，形成“塑料晶体”——分子可以像陀螺一样重新定向。当NPG在更有序与更无序的状态之间转换时，会交换大量热量，使其成为固态制冷的吸引人选。然而，其相变温度和可靠运行所需的高压力使得在实际设备中难以应用。

混合简单分子以调节性能

研究者通过将NPG与两种密切相关的分子五甘油（PG）和季戊四醇（PE）混合来解决这一问题。三者都具有相似的四面体构型，但含有不同数量的羟基（–OH），羟基决定了在固体中通过氢键的相互作用。研究人员先以60:40的NPG与PG配比为起点，然后仅加入2% PE，得到一种稳定的“三级”固溶体，仍表现出巨大的压热效应，但在更有用的温度范围和适中压力下工作。关键成就是热交换过程变得更为可逆：与相同压力下的纯NPG相比，新混合物提供约七倍更多的有用、可重复的制冷能力，并在约二十倍更宽的温度窗口内工作。

材料内部工作时发生了什么

为理解为何如此微小的成分调整会产生巨大影响，团队对晶体内部的结构与运动进行了探测。同步辐射X射线衍射显示，随着材料升温，它会逐步从整齐的层状晶体转变为更对称、高度无序的塑料晶体。在三级混合物中，该相变在大约30摄氏度范围内展开，且两相在宽广范围内共存。这种延展的共存使相变变得更柔和，减少了导致滞后和能量损失的锐利“启动—停止”行为。额外的PE分子微妙地扭曲了氢键网络，尤其沿某些晶向，这似乎使新相区域更容易成核并生长。

观察热斑与分子运动

红外相机显示了相变在样品冷却时如何蔓延。纯NPG倾向于以几道长针状前沿切换，而混合晶体则显示许多细小、分散的热点闪烁出现或消失。这表明成核位点密度大大提高，新相更容易在多处同时起始，解释了更平滑、更渐进的相变。中子散射实验对氢原子的运动敏感，进一步揭示在三级混合物中关键分子旋转的能垒比纯NPG降低了多达50%。换言之，混合晶体中的分子更容易开始重新定向——从而更容易地储存或释放热量——以更低的能量代价工作，支持高效的低压运行。

这对未来固态冰箱意味着什么

简而言之，这项工作表明，通过混合并轻微“掺杂”密切相关的分子，科学家可以驯服原本易变的制冷材料，使其在现实压力下更可靠、更高效。新的60:38:2 NPG–PG–PE混合物保留了NPG强大的制冷效能，同时扩大了有用的温度范围并显著改善了可逆性，在一千巴压力下将实际制冷能力提升约七十倍。由于存在许多类似的塑料晶体和相关分子固体，这种成分设计策略可能为下一代气候友好型固态冰箱和热泵的发展提供指导。

引用: 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

关键词: 压热冷却, 塑料晶体, 固态制冷, 氢键网络, 新戊二醇混合物