1802 年，約翰·高夫（John Gough）開(kāi)創(chuàng)性地撰文描述了這樣一種奇特的現(xiàn)象：迅速拉伸一塊天然橡膠，橡膠突然變得溫暖;隨后橡膠放松時(shí)，又產(chǎn)生涼爽感----這就是彈性熱量效應(yīng)（elastocaloric effect），表示某些材料在外部觸發(fā)因素下，如拉伸、擠壓、磁場(chǎng)或電場(chǎng)等，會(huì)產(chǎn)生溫度的變化。

實(shí)際上，在過(guò)去的幾十年中，研究人員發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越強(qiáng)大的熱量材料，推動(dòng)或擠壓這類(lèi)新型材料，它們將經(jīng)歷破紀(jì)錄的溫度變化，因此有望成為制造環(huán)保的冰箱和空調(diào)的關(guān)鍵所在。因?yàn)橛蔁崃坎牧现瞥龅睦鋮s裝置，不會(huì)泄漏有害的制冷劑，而制冷劑對(duì)環(huán)境的危害可能是溫室氣體的數(shù)千倍。

變形擠壓式冷卻器的關(guān)鍵--熵變?cè)诟叻虻膶?shí)驗(yàn)中，拉伸橡膠時(shí)實(shí)際上將里面的長(zhǎng)長(zhǎng)分子排成了一行。這種對(duì)齊方式減少了系統(tǒng)中的分子混亂程度----而“熵”就被用來(lái)衡量這種混亂。也就是說(shuō)，橡膠內(nèi)分子變得更加整齊，其熵就降低了。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)封閉系統(tǒng)的總熵必須增加，或至少保持恒定。因此，如果高夫使用的橡膠分子結(jié)構(gòu)的熵降低了，那么其他位置的熵必須增加。

在高夫的實(shí)驗(yàn)中，分子的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)使熵增加。這種分子的加速運(yùn)動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出隱藏的熱，稱(chēng)為潛熱（latent heat）。如果橡膠拉伸得足夠快，則潛熱會(huì)留在材料中，材料本身的溫度就會(huì)升高。

目前來(lái)看，許多材料至少具有輕微的彈性熱量效應(yīng)，在擠壓或拉伸時(shí)會(huì)略微升溫。但是要達(dá)到足以在冷卻系統(tǒng)中使用的溫度變化，材料則需要更大的熵變。形狀記憶合金的關(guān)鍵--相變顯然，效果更好的冷卻設(shè)備需要更好的熱量材料。迄今為止，最好的彈性材料是形狀記憶合金（shape memory alloys）。它們由于相變（phase change）而產(chǎn)生熱量變化，相變指的是：物質(zhì)從原有狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麣狻⒁?、固態(tài)而不引起化合物本質(zhì)改變，例如液態(tài)水凍結(jié)成冰的過(guò)程。

形狀記憶合金有一個(gè)狀態(tài)是呈翹曲狀并保持。但是，如果提高熱量，合金的晶體結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼊傂缘臓顟B(tài)，并恢復(fù)為原本的形狀（因此被稱(chēng)為形狀記憶合金）。

而形狀記憶合金在產(chǎn)生相變時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變就會(huì)引起熵變。在像鎳鈦這樣的形狀記憶合金中（鎳鈦是能表現(xiàn)出最大的彈性熱效應(yīng)的材料之一），其剛性狀態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)呈正方體，而柔韌狀態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)則呈鉆石狀的菱形立方體。

菱形立方體比正方體具有更少的可能構(gòu)型。想一想，如果旋轉(zhuǎn)四個(gè)可能的角度（90、180、270 或 360 度），正方體都將保持不變。而菱形立方體，只有經(jīng)過(guò)兩次旋轉(zhuǎn)（180 度和 360 度）后才會(huì)看起來(lái)相同。

鎳鈦形狀記憶合金受力時(shí)的相變、熵變、溫度變化

因此，菱形立方體的熵較小。當(dāng)外力作用于處于剛性狀態(tài)的合金時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐讖澢牡挽貭顟B(tài)，從而使材料溫度升高。若要將這種材料應(yīng)用于空調(diào)或冰箱中，則必須在迅速散發(fā)熱量的同時(shí)，將合金保持在柔韌低熵的狀態(tài)。

相關(guān)材料與研究進(jìn)展早在 2012 年，馬里蘭大學(xué)的材料科學(xué)家 Ichiro Takeuchi 及其同事就測(cè)得，鎳鈦絲的溫度變化可達(dá) 17 攝氏度。三年后，盧布爾雅那大學(xué)的 JakaTu？ek 等人也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的金屬絲，溫度變化可達(dá) 25 攝氏度。

去年，北京科技大學(xué)一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一種新型的鎳錳鈦形狀記憶合金，據(jù)說(shuō)可達(dá)到 31．5 攝氏度的巨大溫度變化。巴塞羅那大學(xué)的固態(tài)物理學(xué)家 Antoni Planes 說(shuō)：“這是迄今為止性能最好的材料?！?/p>

是什么讓它如此優(yōu)越呢？在相變過(guò)程中，鎳錳合金會(huì)收縮。因?yàn)轶w積對(duì)應(yīng)于材料的可能分子構(gòu)型的數(shù)量，所以體積的減小可以導(dǎo)致進(jìn)一步的熵降。Planes 說(shuō)：“這一額外的優(yōu)點(diǎn)使這種材料變得有趣?！?/p>

另一種有趣的材料則是塑料晶體——新戊二醇（neopentylglycol）。這種材料柔軟易變形，其分子松散排列在三維晶格中。它們之間的相互作用很小，可以旋轉(zhuǎn)到大約 60 個(gè)不同的方向。但是當(dāng)施加足夠的壓力時(shí)，分子的可能構(gòu)型變少，材料的熵就下降。

去年，有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)取得了有史以來(lái)最大的氣壓熱量效應(yīng)（barocaloric effects）。其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)告的熵變?yōu)?500 J / kg / K，這是固體材料有史以來(lái)發(fā)現(xiàn)的最大熵變，與商業(yè)流體制冷劑的熵變量相當(dāng)。其計(jì)算出的相應(yīng)溫度變化至少為 40 攝氏度。另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則屬于中國(guó)沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，報(bào)告說(shuō)其熵變達(dá)到 389 J / kg / K。

但是對(duì)該領(lǐng)域的研究仍然存在許多實(shí)際挑戰(zhàn)。一方面盡管氣壓熱量材料比彈性熱量材料不易疲勞，但需要數(shù)千大氣壓的巨大壓力。另一方面，施加這樣的壓力之前還需要將材料密封。Tu？ek 說(shuō)：“如果密封整個(gè)系統(tǒng)，則材料與周?chē)h(huán)境之間進(jìn)行熱交換會(huì)變得很困難?！?/p>

相比之下，Planes 和他的長(zhǎng)期合作者 Lluís Ma？osa 則專(zhuān)注于對(duì)多種刺激（例如同時(shí)施加力和磁場(chǎng)）做出反應(yīng)的多重?zé)崃糠ā６酂崃吭O(shè)備可能會(huì)更復(fù)雜，但是多重刺激可能會(huì)以更高的效率驅(qū)動(dòng)更大的熵變和溫度變化。

Planes 說(shuō)：“這一領(lǐng)域的前景一片光明。但是目前我們才剛剛起步。”
責(zé)編AJX