從一個(gè)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)說起

不知大家是否還記得，初中化學(xué)老師做過這樣一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)燒杯中加入等量的水，再插入溫度計(jì)，然后分別倒入氫氧化鈉和硝酸銨固體。用玻璃棒攪拌后會發(fā)現(xiàn)，氫氧化鈉所在的燒杯內(nèi)水溫迅速上升，而放入硝酸銨的燒杯水溫明顯下降。如果有同學(xué)比較好奇，去用手背碰一碰燒杯外壁，還會發(fā)現(xiàn)放氫氧化鈉的燒杯很燙手，而有硝酸銨的燒杯則手感冰涼。

NaOH、NH4NO3溶解熱實(shí)驗(yàn)（圖片來源：AI生成）

這就是經(jīng)典的物質(zhì)溶解熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理在本質(zhì)上是一場能量的博弈：溶質(zhì)粒子要從有序的晶體結(jié)構(gòu)中分離出來，就需要打破晶體內(nèi)部粒子之間的強(qiáng)大吸引力（“拆家”），因此吸收熱量；而分離出來的溶質(zhì)粒子會被水分子團(tuán)團(tuán)圍住，形成穩(wěn)定的水合離子（“安家”），從而釋放熱量。如果“拆家”的吸熱大于“安家”的放熱，那么溶解過程就是吸熱；反之則是整體放熱。

這一原理應(yīng)用于很多制熱或制冷場景中。比如用于冰敷的醫(yī)用冰袋，通常預(yù)先分隔存放固態(tài)制冷劑（如硝酸銨、氯化銨等鹽類）和水。使用時(shí)用力擠壓，內(nèi)部的水袋破裂，水流出與固態(tài)制冷劑混合，溶解會吸收大量能量，導(dǎo)致整個(gè)袋子的溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇下降，從而產(chǎn)生冰冷的觸感。這種冰袋無需冷藏，“一捏即冰”，非常方便。

醫(yī)用冰袋（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

為什么我們不用溶解吸熱來制冷？

那么，既然溶解制冷的原理如此簡單，制冷的方式高效且環(huán)保，為什么我們家里的冰箱和空調(diào)并不采用這種方法呢？

原因其實(shí)很好理解：溶解吸熱本質(zhì)上是一種消耗性的單向過程，難以實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)的循環(huán)制冷。對于冰箱或空調(diào)這類需要持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備，如果依靠溶解吸熱來降溫，就意味著需要源源不斷地消耗大量溶質(zhì)（如硝酸銨）。這不僅不經(jīng)濟(jì)，儲存空間也完全不允許。

如果想重復(fù)利用溶質(zhì)，讓它溶解后“重置”以恢復(fù)制冷能力，通常需要加熱蒸發(fā)水分后重新結(jié)晶。這個(gè)過程所消耗的能量，遠(yuǎn)高于其溶解時(shí)所吸收的冷量，從整體能效上看是非常不劃算的。

如今，傳統(tǒng)的制冷設(shè)備，無論是家用空調(diào)還是工業(yè)冷庫，大多采用蒸汽壓縮制冷的技術(shù)。它們通過特定的制冷劑（如氟利昂及其替代品）在氣態(tài)和液態(tài)之間循環(huán)相變來帶走熱量。制冷劑在室內(nèi)蒸發(fā)吸熱，再到室外壓縮液化放熱，不斷循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)降溫。這個(gè)過程需要壓縮機(jī)持續(xù)做功，就像搬家工人要不停地爬樓梯，既費(fèi)力又產(chǎn)生額外的熱量。

冰箱的基本工作原理示意圖（圖片來源：Fantastic Fridges）

然而，全球制冷業(yè)正面臨著巨大的難題：雖然我們已經(jīng)淘汰了破壞臭氧層的氟利昂，但目前廣泛使用的替代品，如氫氟碳化物（HFCs），仍然具有極高的全球變暖潛能值（1千克氣體在特定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的累積輻射強(qiáng)度與1千克二氧化碳的比值）。每一次制冷劑的泄漏，都在悄悄地加速全球氣候變暖。制冷設(shè)備更是名副其實(shí)的電力消耗大戶，用電量已占全球總量的十分之一以上。那么，有沒有可能從溶解吸熱中獲取靈感，找到一種高效、環(huán)保、零排放的新一代制冷技術(shù)，來取代或補(bǔ)充現(xiàn)有的蒸汽壓縮系統(tǒng)呢？

科學(xué)家在另一種物理現(xiàn)象中找到了線索：某些固體材料在外界條件（如磁場、電場或壓力）改變時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會發(fā)生相變，伴隨著吸熱或放熱，這種現(xiàn)象叫做“卡效應(yīng)”（Caloric Effect），這些材料統(tǒng)稱為固態(tài)相變材料。不同的外界條件，對應(yīng)不同的卡效應(yīng)：

• 磁卡效應(yīng)：施加或撤去外加磁場，使磁性材料中磁矩有序化程度發(fā)生變化，產(chǎn)生熱效應(yīng)。

• 電卡效應(yīng)：改變外界電場，介電材料的偶極子取向排列發(fā)生變化，產(chǎn)生熱效應(yīng)。

• 彈卡效應(yīng)：施加或卸載單軸應(yīng)力，誘導(dǎo)材料晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生熱效應(yīng)。

• 壓卡效應(yīng)：施加或卸載等靜壓，改變材料的晶體結(jié)構(gòu)及構(gòu)型取向等結(jié)構(gòu)自由度，產(chǎn)生熱效應(yīng)。

不同卡效應(yīng)的制冷循環(huán)示意圖（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

其中，壓卡效應(yīng)是材料科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)之一：對某些材料施加壓力時(shí)，材料內(nèi)部的原子排列變得更加整齊有序，釋放出熱量；反過來，卸除壓力時(shí)，原子排列又變得松散混亂，需要從外界吸收熱量。壓力的變化相對容易操作，而且壓卡效應(yīng)可選擇的材料體系更多。那么，是否可能通過壓卡效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)呢？

然而，當(dāng)前的壓卡效應(yīng)制冷在實(shí)際應(yīng)用中仍有一定局限性：對于固體材料來說，無論是加壓后固體自身產(chǎn)生的熱量，還是卸壓后固體從外界吸收熱量，都必須用水或空氣等流體介質(zhì)來源源不斷地搬運(yùn)，才能實(shí)現(xiàn)為房間降溫。顯而易見，這種接力式的傳熱效率很低?？茖W(xué)家們陷入了兩難：環(huán)保的固態(tài)材料不會流動(dòng)，會流動(dòng)的氣體又不夠環(huán)保。能不能找到一種“會流動(dòng)的固態(tài)制冷材料”呢？

答案就藏在開頭提到的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

兩種現(xiàn)象的奇妙結(jié)合：極壓卡效應(yīng)

中國科學(xué)院金屬研究所的研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：如果一種物質(zhì)在溶解時(shí)吸熱、析出時(shí)放熱，而我們能通過壓力來控制它的溶解和析出，那是不是就可以控制熱量的吸收和釋放？

傳統(tǒng)上，溶解吸熱這種方法難以主動(dòng)控制溶質(zhì)的分離，而壓卡效應(yīng)的熱量又難以高效搬運(yùn)。將溶解熱效應(yīng)和壓卡效應(yīng)結(jié)合，通過壓力控制溶質(zhì)的溶解和析出，實(shí)現(xiàn)吸熱和放熱，同時(shí)溶液具有流動(dòng)性不需要額外的介質(zhì)來傳輸熱量，不就能解決兩種方法的難題？

研究團(tuán)隊(duì)選取了硫氰酸銨（NH4SCN）作為溶質(zhì)，水作為溶劑。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對飽和的硫氰酸銨溶液進(jìn)行絕熱加壓時(shí)，溶液會變得過飽和，原本剛好能溶解的硫氰酸銨無法全部溶解，多余的部分會從溶液中析出，重新形成晶體，這個(gè)過程會釋放熱量。而反過來，當(dāng)卸除溶液所受壓力時(shí)，析出的晶體又會重新溶解吸熱，溶液溫度下降，實(shí)現(xiàn)制冷。

這就是研究團(tuán)隊(duì)首次提出的“極壓卡效應(yīng)”——通過壓力調(diào)控可溶性物質(zhì)在溶液中的溶解和析出，產(chǎn)生巨大的熱效應(yīng)。這是一種全新的壓卡效應(yīng)，它利用的不是固體材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的改變，而是物質(zhì)在溶解和析出過程中晶格的破壞與重建。

三大優(yōu)勢：制冷技術(shù)的“三合一革命”

研究團(tuán)隊(duì)提出的極壓卡制冷體系具備三大優(yōu)勢：

溶解極壓卡制冷循環(huán)示意圖（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

優(yōu)勢一：制冷能力強(qiáng)——比固態(tài)材料高一個(gè)數(shù)量級

固態(tài)相變材料用于制冷的潛熱通常在幾焦耳每克的量級，而硫氰酸銨水溶液體系的制冷量能達(dá)到60焦耳每克，足足高出一個(gè)數(shù)量級。

這種巨大差距來自于溶解過程獨(dú)特的物理本質(zhì)。當(dāng)晶體溶解時(shí)，不僅粒子內(nèi)部的有序度（振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等狀態(tài)）發(fā)生了變化，更重要的是，原本被固定在晶格中動(dòng)彈不得的粒子，突然獲得了在整個(gè)溶液中自由穿梭的能力。這種從“零平動(dòng)自由度”到“三維自由移動(dòng)”的巨大轉(zhuǎn)變，伴隨著熵的劇烈增加，需要吸收大量的熱量，因此制冷效果格外顯著。

優(yōu)勢二：材料能流動(dòng)——換熱效率提升數(shù)倍

固態(tài)相變材料最大的痛點(diǎn)是無法流動(dòng)，而硫氰酸銨水溶液體系則完全不同。溶液本身就是流體，產(chǎn)生熱效應(yīng)后可以在管道中流動(dòng)，從而直接與散熱端或制冷端接觸，實(shí)現(xiàn)高效換熱。這就避免了固態(tài)材料必須借助水或空氣等中間介質(zhì)進(jìn)行接力傳熱的不足，效率自然大幅提升。

在熱力學(xué)模型模擬計(jì)算中，這種直接換熱的優(yōu)勢非常明顯。由于溶液體系溶解過程引發(fā)的熵變巨大，其制冷性能可以采用以高效聞名的類卡諾循環(huán)進(jìn)行模擬計(jì)算。當(dāng)散熱端與制冷端的溫差（溫跨）設(shè)定為8K時(shí)，其在熱力學(xué)第二定律框架下的效率可達(dá)77%，遠(yuǎn)高于性能最優(yōu)的固態(tài)相變材料。

優(yōu)勢三：綠色環(huán)保——真正的零排放制冷

環(huán)保也是這套體系的亮點(diǎn)之一。整個(gè)體系只用到兩種物質(zhì)：硫氰酸銨和水。

硫氰酸銨是一種常見的化學(xué)品，可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本低廉，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究。雖然它有一定刺激性，但不屬于強(qiáng)毒性物質(zhì)，在密閉系統(tǒng)中使用是安全的。更重要的是，它并不會像傳統(tǒng)制冷劑那樣加劇全球變暖。整個(gè)制冷循環(huán)是完全密閉的，不會產(chǎn)生任何排放，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的零污染、零排放。

此外，溶液在析出和溶解過程中復(fù)雜的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)行為，為進(jìn)一步的優(yōu)化研究提供了廣闊的空間，使得系統(tǒng)具有高度的靈活性和可調(diào)控性。

這項(xiàng)技術(shù)能改變什么？

看到這里，你可能會問：這么好的技術(shù)，什么時(shí)候能用上？

坦率地說，從實(shí)驗(yàn)室的原理驗(yàn)證到真正的商業(yè)化應(yīng)用，還有一段不短的路要走。但這項(xiàng)研究的意義，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一個(gè)具體產(chǎn)品。

從技術(shù)成熟度來看，這項(xiàng)研究目前還處于原理驗(yàn)證和性能優(yōu)化階段，要將它轉(zhuǎn)化為實(shí)用產(chǎn)品，還需要解決幾個(gè)工程問題：

驅(qū)動(dòng)壓力的降低：實(shí)際應(yīng)用時(shí)體系的驅(qū)動(dòng)壓力很難達(dá)到幾百兆帕，如何在維持制冷性能不受影響的情況下減小驅(qū)動(dòng)壓力，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)、亟需解決的問題。

系統(tǒng)的可靠性和壽命：制冷設(shè)備需要長年累月地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，溶液在反復(fù)的加壓卸壓、析出溶解過程中，會不會逐漸性能衰減？密封件能否承受長期的高壓循環(huán)？這些都需要大量的耐久性測試。

成本控制：雖然硫氰酸銨本身相對廉價(jià)，但高壓系統(tǒng)的制造成本較高。要讓這種新型制冷機(jī)的價(jià)格降到普通消費(fèi)者能夠接受的水平，需要規(guī)?；a(chǎn)和工藝優(yōu)化。

未來，這套極壓卡制冷體系最有可能率先在這三個(gè)領(lǐng)域展開應(yīng)用：

工業(yè)冷卻系統(tǒng)：在化工、電子等行業(yè)，許多生產(chǎn)過程需要精確的溫度控制，而且對設(shè)備成本的敏感度相對較低。極壓卡制冷體系的高效率和環(huán)保特性，在這些場景中具有明顯優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)中心散熱：隨著云計(jì)算和人工智能的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的散熱需求越來越大。這些設(shè)施通常有專業(yè)的工程團(tuán)隊(duì)維護(hù)，能夠處理相對復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，而且電力成本是他們的主要支出，高效制冷能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

特種制冷設(shè)備：在醫(yī)療、科研等領(lǐng)域，有些場景需要無污染、高可靠的制冷，即使成本較高也能接受。極壓卡制冷體系在這些細(xì)分市場有很好的應(yīng)用前景。

至于我們最關(guān)心的家用空調(diào)和冰箱，可能需要等技術(shù)進(jìn)一步成熟，成本進(jìn)一步降低后才會出現(xiàn)。但歷史告訴我們，許多革命性技術(shù)都是這樣一步步走進(jìn)千家萬戶的——從昂貴的軍用、工業(yè)應(yīng)用，到逐漸普及的消費(fèi)產(chǎn)品。

也許在不遠(yuǎn)的將來，當(dāng)你打開空調(diào)享受清涼時(shí),流動(dòng)在管道里的不再是破壞臭氧層的氟利昂，而是一種環(huán)保的鹽溶液。它在壓力的驅(qū)動(dòng)下，周而復(fù)始地析出與溶解，靜靜地為你的房間帶來舒適，為這個(gè)星球減少一份負(fù)擔(dān)。

當(dāng)鹽遇見水與壓力，一場制冷革命，可能才剛剛開始。

圖片來源：veer圖庫

參考文獻(xiàn)：

[1]https://doi.org/10.1002/admi.201900291

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-10013-1

作者：劉懿芳，張琨，李昺
單位：中國科學(xué)院金屬研究所

來源：科學(xué)大院

編輯：子木

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