固态冷却是通过电场诱导应变实现的

中国的研究人员表明，使用电场对复合材料施加应变会产生巨大且可逆的热量效应。 这种在没有磁场的情况下增强热效应的新方法可以开辟固态冷却的新途径，并带来更节能、更轻便的冰箱。

国际制冷学会估计 20% 全球使用的所有电力消耗在蒸汽压缩制冷上——这是传统冰箱和空调中使用的技术。 更重要的是，这些系统中使用的制冷剂是强大的温室气体， 对全球变暖有重大贡献. 因此，科学家们正在努力开发更加环保的制冷系统。

冷却系统也可以由全固态系统制成，但这些目前无法与大多数主流应用的蒸汽压缩竞争。 如今，大多数商用固态冷却系统都使用珀耳帖效应，这是一种成本高、效率低的热电过程。

外部字段

基于热量材料的固态冷却系统提供高制冷效率和零温室排放，并且正在成为替代蒸汽压缩技术的有前途的候选者。 这些系统采用固体材料作为制冷剂，当受到外部场（电场、磁场、应变或压力）时，会发生温度变化——这种现象称为热量效应。

到目前为止，大多数对固态热量冷却系统的研究都集中在磁制冷剂上。 然而，实用的制冷剂必须在室温附近表现出显着的热效应，而这种材料通常很难找到。 一种潜在材料是 Mn₃SnC，当暴露于大于 2 T 的磁场时会显示出显着的热效应。但采用如此高的磁场需要使用昂贵且笨重的磁铁，这是不切实际的。

现在， 彭武 上海科技大学、上海微系统与信息技术研究所、中国科学院大学和北京交通大学的同事们通过将 Mn₃具有锆钛酸铅 (PZT) 压电层的 SnC 层。

摆脱磁铁

在描述的一系列实验中 物质学报, 该团队在不需要磁场的情况下观察到了可逆的热量效应。 实现的绝热温度变化大约是 Mn 测量值的两倍₃存在 3 T 磁场的 SnC。

通过向材料施加电场来观察热效应，该材料通过逆压电效应在 PZT 中引起应变。 应变从 PZT 层转移到 Mn₃SnC 层，导致 Mn 的磁性排序发生变化₃SnC。 这会导致材料中的温度下降高达 0.57 K。 当移除电场时，温度增加相同的值。

吴告诉 物理世界 他从微机电系统 (MEMS) 中获得了这个想法，该系统通常使用压电材料进行驱动。 根据 Wu 的说法，使用电场介导的应变可以帮助消除对昂贵的大型磁铁的需求，从而创建一个更高效和可持续的制冷系统。

具有挑战性的测量

通过估计温度的绝热变化或等温熵变来测量热量效应。 在工业和研究中，温度变化是首选方法。 虽然这是针对纯散装材料的简单实验，但对于受电场影响的基于设备的复合材料来说却极其困难。

为了进行测量，Wu 和他的同事使用了一个系统，该系统配备了连接到 Mn 的热电偶探头₃在精确控制磁场和温度的绝热环境中的 SnC 表面。

为了评估其测量系统的准确性，研究人员在 275–290 K 的温度范围内进行了多次磁热效应测量。他们能够监测低至 0.03 K 的温度变化，从而验证了系统的高分辨率温度能力。

考虑到在向 PZT 施加电压的同时进行绝热温度测量的挑战，Wu 认为该团队的工作是直接测量温度变化的突破。 他补充说，“这种温度测量方法可能对其他热电子设备有用。” 然而，吴强调“该系统并非完全绝热； 它可能会导致热量损失，因此任何热量测量都需要进一步改进”。

有趣且无法解释

团队在测温过程中还观察到了一些非常有趣和意想不到的现象。 “无论施加正电场还是负电场，Mn 的表面温度₃SnC 总是在减少，”Wu 说。 研究人员还发现，通过对复合材料施加磁场，Mn 的表面温度₃SnC 升高，而施加电场则相反并导致温度降低。 吴说，该团队还不了解这些观察结果。

研究人员现在的目标是研究 Mn 对比行为背后的基础物理学₃磁场和电场下的 SnC/PZT。 为了进一步完善测温系统，他们也在努力解决热量散失的问题。