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)保的制冷和儲熱材料。

日前，第十七屆中國青年科技獎揭曉，李昺成為100名獲獎者之一。據了解，該獎旨在表彰在國家經濟發(fā)展、社會進步和科技創(chuàng)新中作出突出貢獻的青年科技人才，年齡要求不超過40歲，評選周期為兩年。

李昺在接受《中國科學報》采訪時表示：“能夠獲獎很不容易，我們瞄準‘碳達峰、碳中和’這個方向做出了有意義的工作，將制冷與儲熱材料完美結合?！?/p>無心插柳柳成蔭

2012年，李昺在金屬所獲博士學位，那時候他的研究方向是磁卡制冷，即利用磁性材料的磁熱效應實現制冷。磁熱效應是指外加磁場發(fā)生變化時，磁性材料的磁矩有序排列發(fā)生變化，導致材料自身發(fā)生吸熱和放熱的現象。

博士畢業(yè)后，李昺赴美國弗吉尼亞大學物理系從事博士后研究工作。

“我的導師是當時美國中子散射協(xié)會主席，在她的指導下我接觸到美國橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源，開始嘗試運用高壓中子散射、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變并不是刻意為之，可謂是無心插柳柳成蔭?！?/p>國外的學習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）中子譜學組工作，主要利用先進的非彈性中子散射譜儀研究結構無序的功能材料。

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。

“我們找到了全新材料。該材料不僅可以實現零碳制冷，消除制冷領域的環(huán)境危害，還可以實現余熱的收集和再利用，達到降低碳排放、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熱。

壓卡制冷見曙光

聯合國發(fā)布的統(tǒng)計數據顯示，全球每年25%～30%的電力被用于各種制冷應用。在當今社會生產和生活的多個領域，制冷技術均起到了至關重要的作用。

李昺指出，當前我國高端制冷壓縮機技術仍然欠缺，探索新的制冷技術方案有望從根源上解決該技術領域的“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，已經成為學術界和工業(yè)界共同努力的方向。

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

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，成為限制該技術走向應用的瓶頸之一。

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，以打破現有瓶頸。他帶領團隊圍繞如何提高固態(tài)相變制冷材料的性能展開深入研究，最終發(fā)現一種塑晶材料。

“我們通過中子散射技術觀察發(fā)現，塑晶材料的分子在不停隨機轉動，處于高能量狀態(tài)?！崩顣m介紹，由于這些材料特別軟，施加一個很小的壓力，這些轉動就會被抑制，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出的顯著相變制冷效應命名為龐壓卡效應。上述塑晶材料展現的正是龐壓卡效應，即壓力引起相變的冷卻效應，相關研究成果2019年發(fā)表于《自然》。

利用塑晶材料作為介質，李昺帶領團隊研制了首個壓卡制冷樣機。

“塑晶材料所需驅動壓力小、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會授予的2019年學會獎勵，這是日本中子學會第一次將該獎勵授予日本以外的科學家。

變換角度和維度

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

國際能源署的統(tǒng)計數據顯示，初級能源約有31%用來生產熱能，其他能源利用過程中又有28%的初級能源以熱能的形式被浪費。與此相對的是，熱能的生產直接貢獻了30%的碳排放。

“雖然熱能如此豐富，但人類對熱能的利用還十分有限。主要原因是熱能收集效率低、無法長距離運輸、溫度和時間等無法有效調控?！崩顣m解釋道，如果將浪費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。他通過實驗發(fā)現塑晶材料中有一類材料在80攝氏度左右開始存儲熱量變成塑晶態(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)轉變，瞬間釋放出所儲存的大量熱量，20秒內溫度可以升高近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。

在上述研究的基礎上，李昺團隊設計了壓卡熱電池。他透露，壓卡熱電池可以實現低品位余熱的回收、長時存儲、長距運輸和可控再利用，總能效為92%。這項成果即將在《科學進展》公開發(fā)表。

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

近3年來，因為研究實驗需要，李昺都是把樣品寄給合作者，利用國外的譜儀完成相關實驗。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驗了。

來源：中國科學報

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