12月1日，上海交通大學機械與動力工程學院前瞻叉研究中心錢曉石教授課題組在《科學》雜誌上發表了題為“Colossal Electrocaloric Effect in an Interface-augmented Ferroelectric Polymer”的文章。聚合物極化介面的廣泛形成是由小分子晶體的犧牲層誘導的，使鐵電聚合物在外電場的作用下表現出巨大的熵變，實現了傳統偏氟乙烯弛豫鐵電聚合物中的龐迪安卡效應，揭示了拓撲外延極化介面在外電控制下的熵變機理田。錢曉石教授為本文唯一通訊作者，博士生鄭善宇為第一作者。 這是錢學森課題組今年第二次以第一作者身份在《科學》雜誌上發表文章。
science · 30 nov 2023 · vol 382, issue 6674
巨型電卡效應是一種奇特的凝聚態物理現象，它利用固體電介質充放電過程中交替極化-去極化的製冷迴圈產生可逆的電溫變化。 電卡製冷系統具有功率損耗低、能效高、溫室效應潛能位為零、易於小型化、輕量化等特點，為製冷劑替代和實現雙碳目標提供了重要的顛覆性前瞻性技術之一。通過減小弛豫體的極性疇尺寸，可以減小兩種極性熵態之間的偶極翻轉能壘，從而增加電場引起的偶極子熵變。 報道的疇尺寸均為100-20 nm，但由於鬆弛鐵電體的複雜結晶過程，進一步將疇尺寸減小到亞奈米尺度具有挑戰性。
極性介面形成後，小分子晶體在高溫下可以揮發離開聚合物網路，從而不影響聚合物的其他電效能，並巧妙地引入大量大大小小的亞奈米腔和極性介面，以改善材料的熵變。 在擊穿 20% 的低電場下，熵變為 100 j （kg.）。k）是普通聚合物的4倍，電卡強度大於1j（kg.）。k.MV），製冷量為5x103 J kg，穩定執行300萬次迴圈
DMHD分子誘導的聚合物介面增強顯示出巨大的電卡效能。
奈米紅外技術的利用表明，在奈米孔介面處保留了大量的極性構象，並且全部出現在晶粒邊緣。 緻密的亞奈米二維極性介面取代了百奈米尺度的三維極性奈米疇區域，成為電卡效應的主要貢獻者。
極性和非極性構象的介面增強 IR-PIFM 表徵。
採用光致發光紅外高光譜（HYPIR）獲取電卡聚合物1600-780 cm-1光譜範圍內的紅外吸收化學影象。 TPD不僅表現出明顯的介面全跨極構象增強訊號，而且形成更多的聚合物構象型別，具有更強的多相共存特性。
介面增強聚合物和普通聚合物的結構分析。
原位WAXD研究了電場作用下三維塊體晶體結構的動態轉變，DMHD在襯底聚合物中誘導了較強的相變。 DFT和MD模型也直觀地表明，由於介面氫鍵相互作用的存在，非極性到極性相變勢壘可以降低。 彈性中子散射結果表明，退火前TPD-UN的均方位移最小，表明氫離子緊緊地侷限在小分子表面附近，犧牲DMHD可以釋放出大表面積極性構象介面的約束，促進了TPD的巨大電鉗效應。
改性聚合物的介電行為和迴圈效能。
採用Landau-Ginzburg-Devonshire熱力學模型，並輔以相場模擬實驗結果。 通過介電效能分析，極化強度和介電常數的提高證實了介面增強電卡效應材料的存在。奈米多孔極性介面暴露於不受物理約束的自由體積中，這與與永久性復合填料相關的不良併發症不同。
TPD巨型效應在室溫附近具有良好的溫度穩定性，可以覆蓋10至70的有效溫度視窗。 COPMat的製冷效率比普通聚合物高出250%，穩定性迴圈測試高達300萬次迴圈。這進一步減小了電源的尺寸和重量，為潛在的可攜式卡冷卻提供動力。
這是國內高校首次以第一作者單位發表以電卡製冷為主題的科學研究**。**該研究工作得到了多個團隊的支援，其中準彈性中子散射實驗由上海交通大學物理學院洪亮團隊完成; 南京大學機械動力學院陳江平教授、北京理工大學黃厚兵團隊、南京大學楊玉榮團隊為本研究提供了重要支援。 此外，Molecular Vista和布魯克（北京）也參與了奈米紅外的研究。
該研究工作得到了科技部“變革性技術與關鍵科學問題重點研發計畫”、國家自然科學計畫和上海市自然科學原始探索專案、機械系統與振動國家重點實驗室專案、上海交通大學“深藍計畫”專案和“重點前瞻性布局”專案的資助。 上海交通大學學生創新中心和分析測試中心、上海同步輻射光源BL19U2和BL16B1線站、澳大利亞核科技中心為研究工作提供了實驗資源。
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*：機械與動力工程學院。
責任編輯：“四力”合作計畫委員。
智慧能源創新研究院 賴思陽.
主編：金雪.
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