李昺 受訪者供圖

從美國到日本再到回國，從磁卡制冷到壓卡制冷、從零碳制冷到可控儲(chǔ)熱……這些年來，中科院金屬研究所（以下簡稱金屬所）“80后”研究員李昺一直在尋找節(jié)能環(huán)保的制冷和儲(chǔ)熱材料。

日前，第十七屆中國青年科技獎(jiǎng)揭曉，李昺成為100名獲獎(jiǎng)?wù)咧?。?jù)了解，該獎(jiǎng)旨在表彰在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和科技創(chuàng)新中作出突出貢獻(xiàn)的青年科技人才，年齡要求不超過40歲，評(píng)選周期為兩年。

李昺在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示：“能夠獲獎(jiǎng)很不容易，我們瞄準(zhǔn)‘碳達(dá)峰、碳中和’這個(gè)方向做出了有意義的工作，將制冷與儲(chǔ)熱材料完美結(jié)合?！?/p>無心插柳柳成蔭

2012年，李昺在金屬所獲博士學(xué)位，那時(shí)候他的研究方向是磁卡制冷，即利用磁性材料的磁熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。磁熱效應(yīng)是指外加磁場發(fā)生變化時(shí)，磁性材料的磁矩有序排列發(fā)生變化，導(dǎo)致材料自身發(fā)生吸熱和放熱的現(xiàn)象。

博士畢業(yè)后，李昺赴美國弗吉尼亞大學(xué)物理系從事博士后研究工作。

“我的導(dǎo)師是當(dāng)時(shí)美國中子散射協(xié)會(huì)主席，在她的指導(dǎo)下我接觸到美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源，開始嘗試運(yùn)用高壓中子散射、同步輻射X射線散射等手段研究晶體材料，這個(gè)方向非常前沿?！崩顣m說，“從磁卡制冷向壓卡制冷研究方向的轉(zhuǎn)變并不是刻意為之，可謂是無心插柳柳成蔭?！?/p>國外的學(xué)習(xí)和工作為李昺在此前從事的無序晶體材料研究方面打開了新思路。

2015年至2018年初，李昺前往日本散裂中子源（J-PARC）中子譜學(xué)組工作，主要利用先進(jìn)的非彈性中子散射譜儀研究結(jié)構(gòu)無序的功能材料。

2018年回國加入金屬所后，李昺組建了沈陽材料科學(xué)國家研究中心中子散射研究組，從事原子、分子及磁性無序材料的中子散射研究，并有了意外發(fā)現(xiàn)。

“我們找到了全新材料。該材料不僅可以實(shí)現(xiàn)零碳制冷，消除制冷領(lǐng)域的環(huán)境危害，還可以實(shí)現(xiàn)余熱的收集和再利用，達(dá)到降低碳排放、提高能源利用率的目的?！崩顣m表示，這種材料既能制冷又能儲(chǔ)熱。

壓卡制冷見曙光

聯(lián)合國發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球每年25%～30%的電力被用于各種制冷應(yīng)用。在當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)和生活的多個(gè)領(lǐng)域，制冷技術(shù)均起到了至關(guān)重要的作用。

李昺指出，當(dāng)前我國高端制冷壓縮機(jī)技術(shù)仍然欠缺，探索新的制冷技術(shù)方案有望從根源上解決該技術(shù)領(lǐng)域的“卡脖子”問題。

近年來，尋求綠色、環(huán)保、低能耗的替代制冷方案，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同努力的方向。

研究發(fā)現(xiàn)，固體材料相變（指固、液、氣不同相之間的相互轉(zhuǎn)變）過程伴隨巨大的吸熱或放熱效應(yīng)，基于固態(tài)相變熱效應(yīng)的制冷技術(shù)被認(rèn)為是最有希望取代傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的技術(shù)方案。

但是，這類方案中的固體材料的性能與液態(tài)制冷劑相比存在巨大差距，成為限制該技術(shù)走向應(yīng)用的瓶頸之一。

中子散射研究給李昺帶來了新思路，他開始嘗試尋找新的固體材料，以打破現(xiàn)有瓶頸。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞如何提高固態(tài)相變制冷材料的性能展開深入研究，最終發(fā)現(xiàn)一種塑晶材料。

“我們通過中子散射技術(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，塑晶材料的分子在不停隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，處于高能量狀態(tài)?！崩顣m介紹，由于這些材料特別軟，施加一個(gè)很小的壓力，這些轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)被抑制，材料變成低能量狀態(tài)，從而釋放出大量的熱量。

李昺將這種通過較小壓力誘導(dǎo)出的顯著相變制冷效應(yīng)命名為龐壓卡效應(yīng)。上述塑晶材料展現(xiàn)的正是龐壓卡效應(yīng)，即壓力引起相變的冷卻效應(yīng)，相關(guān)研究成果2019年發(fā)表于《自然》。

利用塑晶材料作為介質(zhì)，李昺帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了首個(gè)壓卡制冷樣機(jī)。

“塑晶材料所需驅(qū)動(dòng)壓力小、成本低，因此可以作為新型制冷材料?！崩顣m說，“我們的研究為下一代固態(tài)制冷技術(shù)的發(fā)展提供了新思路，有望大幅度提高制冷效率?！?/p>憑借這一成果，李昺獲得了日本中子學(xué)會(huì)授予的2019年學(xué)會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)，這是日本中子學(xué)會(huì)第一次將該獎(jiǎng)勵(lì)授予日本以外的科學(xué)家。

變換角度和維度

這些年來，在研究制冷技術(shù)的同時(shí)，李昺也在思考如何才能高效回收利用產(chǎn)生的熱能。

國際能源署的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，初級(jí)能源約有31%用來生產(chǎn)熱能，其他能源利用過程中又有28%的初級(jí)能源以熱能的形式被浪費(fèi)。與此相對(duì)的是，熱能的生產(chǎn)直接貢獻(xiàn)了30%的碳排放。

“雖然熱能如此豐富，但人類對(duì)熱能的利用還十分有限。主要原因是熱能收集效率低、無法長距離運(yùn)輸、溫度和時(shí)間等無法有效調(diào)控?！崩顣m解釋道，如果將浪費(fèi)的熱能加以回收利用，不但可以減少能源消耗，還可以降低碳排放。

李昺再次想到了塑晶材料。他通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)塑晶材料中有一類材料在80攝氏度左右開始存儲(chǔ)熱量變成塑晶態(tài)，回到室溫保存后，施加約6MPa的微小壓力（相當(dāng)于人手捏物體的力）就可以誘發(fā)塑晶態(tài)向常規(guī)晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，瞬間釋放出所儲(chǔ)存的大量熱量，20秒內(nèi)溫度可以升高近50攝氏度。

李昺將塑晶材料的這一特性概括為，加熱吸收熱量、冷卻鎖定熱量、加壓釋放熱量。

在上述研究的基礎(chǔ)上，李昺團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了壓卡熱電池。他透露，壓卡熱電池可以實(shí)現(xiàn)低品位余熱的回收、長時(shí)存儲(chǔ)、長距運(yùn)輸和可控再利用，總能效為92%。這項(xiàng)成果即將在《科學(xué)進(jìn)展》公開發(fā)表。

雖然冷熱是一對(duì)矛盾體，但李昺的研究不僅打破了冷熱對(duì)立的束縛，還拓寬了新的研究思路。而能夠產(chǎn)出上述成果，他認(rèn)為關(guān)鍵在于變換角度和維度。

近3年來，因?yàn)檠芯繉?shí)驗(yàn)需要，李昺都是把樣品寄給合作者，利用國外的譜儀完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。李昺希望中國散裂中子源二期工程早日建成，這樣就不用再出國做實(shí)驗(yàn)了。

來源：中國科學(xué)報(bào)

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