12月1日，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻叉研究中心钱晓石教授课题组在《科学》杂志上发表了题为“Colossal Electrocaloric Effect in an Interface-augmented Ferroelectric Polymer”的文章。聚合物极化界面的广泛形成是由小分子晶体的牺牲层诱导的，使铁电聚合物在外电场的作用下表现出巨大的熵变，实现了传统偏氟乙烯弛豫铁电聚合物中的庞迪安卡效应，揭示了拓扑外延极化界面在外电控制下的熵变机理田。钱晓石教授为本文唯一通讯作者，博士生郑善宇为第一作者。 这是钱学森课题组今年第二次以第一作者身份在《科学》杂志上发表文章。
science · 30 nov 2023 · vol 382, issue 6674
巨型电卡效应是一种奇特的凝聚态物理现象，它利用固体电介质充放电过程中交替极化-去极化的制冷循环产生可逆的电温变化。 电卡制冷系统具有功率损耗低、能效高、温室效应潜能位为零、易于小型化、轻量化等特点，为制冷剂替代和实现双碳目标提供了重要的颠覆性前瞻性技术之一。通过减小弛豫体的极性畴尺寸，可以减小两种极性熵态之间的偶极翻转能垒，从而增加电场引起的偶极子熵变。 报道的畴尺寸均为100-20 nm，但由于松弛铁电体的复杂结晶过程，进一步将畴尺寸减小到亚纳米尺度具有挑战性。
极性界面形成后，小分子晶体在高温下可以挥发离开聚合物网络，从而不影响聚合物的其他电性能，并巧妙地引入大量大大小小的亚纳米腔和极性界面，以改善材料的熵变。 在击穿 20% 的低电场下，熵变为 100 j （kg.）。k）是普通聚合物的4倍，电卡强度大于1j（kg.）。k.MV），制冷量为5x103 J kg，稳定运行300万次循环
DMHD分子诱导的聚合物界面增强显示出巨大的电卡性能。
纳米红外技术的利用表明，在纳米孔界面处保留了大量的极性构象，并且全部出现在晶粒边缘。 致密的亚纳米二维极性界面取代了百纳米尺度的三维极性纳米畴区域，成为电卡效应的主要贡献者。
极性和非极性构象的界面增强 IR-PIFM 表征。
采用光致发光红外高光谱（HYPIR）获取电卡聚合物1600-780 cm-1光谱范围内的红外吸收化学图像。 TPD不仅表现出明显的界面全跨极构象增强信号，而且形成更多的聚合物构象类型，具有更强的多相共存特性。
界面增强聚合物和普通聚合物的结构分析。
原位WAXD研究了电场作用下三维块体晶体结构的动态转变，DMHD在衬底聚合物中诱导了较强的相变。 DFT和MD模型也直观地表明，由于界面氢键相互作用的存在，非极性到极性相变势垒可以降低。 弹性中子散射结果表明，退火前TPD-UN的均方位移最小，表明氢离子紧紧地局限在小分子表面附近，牺牲DMHD可以释放出大表面积极性构象界面的约束，促进了TPD的巨大电钳效应。
改性聚合物的介电行为和循环性能。
采用Landau-Ginzburg-Devonshire热力学模型，并辅以相场模拟实验结果。 通过介电性能分析，极化强度和介电常数的提高证实了界面增强电卡效应材料的存在。纳米多孔极性界面暴露于不受物理约束的自由体积中，这与与永久性复合填料相关的不良并发症不同。
TPD巨型效应在室温附近具有良好的温度稳定性，可以覆盖10至70的有效温度窗口。 COPMat的制冷效率比普通聚合物高出250%，稳定性循环测试高达300万次循环。这进一步减小了电源的尺寸和重量，为潜在的便携式卡冷却提供动力。
这是国内高校首次以第一作者单位发表以电卡制冷为主题的科学研究**。**该研究工作得到了多个团队的支持，其中准弹性中子散射实验由上海交通大学物理学院洪亮团队完成; 南京大学机械动力学院陈江平教授、北京理工大学黄厚兵团队、南京大学杨玉荣团队为本研究提供了重要支持。 此外，Molecular Vista和布鲁克（北京）也参与了纳米红外的研究。
该研究工作得到了科技部“变革性技术与关键科学问题重点研发计划”、国家自然科学计划和上海市自然科学原始探索项目、机械系统与振动国家重点实验室项目、上海交通大学“深蓝计划”项目和“重点前瞻性布局”项目的资助。 上海交通大学学生创新中心和分析测试中心、上海同步辐射光源BL19U2和BL16B1线站、澳大利亚核科技中心为研究工作提供了实验资源。
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*：机械与动力工程学院。
责任编辑：“四力”合作计划委员。
智慧能源创新研究院 赖思阳.
主编：金雪.
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