Исследовательская группа из Института физики твёрдого тела, Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук, обнаружила барокалорический эффект высокой энергоёмкости в пластиковом суперионном проводнике Ag₂Te₁₋ₓSₓ.
«Этот материал демонстрирует объёмные барокалорические характеристики, значительно превосходящие большинство известных неорганических материалов», — сказал профессор Тонг Пэн, возглавлявший команду. «Его высокая энергоёмкость делает его подходящим для создания меньших и лёгких устройств охлаждения».
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Современное охлаждение в основном основано на парокомпрессионных системах, которые используют хладагенты, способствующие образованию парниковых газов, и уже близки к пределу своей эффективности. Барокалорическое охлаждение — охлаждение за счёт давления на твёрдые материалы — предлагает более чистую и потенциально более эффективную альтернативу. Однако ключевой фактор для реальных устройств, изменение объёмной энтропии, до сих пор не был хорошо изучен.
С помощью моделирования методом конечных элементов команда обнаружила, что уменьшение размера контейнера увеличивает его несущую способность под давлением, что позволяет уменьшить толщину стенок и дополнительно снизить вес. Это подчёркивает необходимость в материалах с высокой энергоёмкостью, однако большинство известных барокалорических материалов всё ещё не соответствуют этому требованию.
В этом исследовании команда сосредоточилась на плотном твёрдом растворе Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Эксперименты показали, что при умеренном давлении в 70 МПа материал производит обратимое изменение объёмной энтропии в 0,478 Дж·см⁻³·К⁻¹ — самое высокое значение, зарегистрированное для любого неорганического барокалорического материала на сегодняшний день. Его барокалорическая прочность, составляющая 6,82 мДж·см⁻³·К⁻¹·МПа⁻¹, также превосходит большинство неорганических систем и даже известные органические материалы, такие как неопентилгликоль.
Данные нейтронной дифракции показывают, что вызывает этот необычно сильный тепловой отклик. При приложении давления материал претерпевает структурный сдвиг от кубической к моноклинной фазе, сопровождающийся изменением объёма решётки примерно на 5,4%. В то же время резко меняется диффузия ионов серебра внутри структуры, что дополнительно усиливает калорический эффект.
Материал также обладает рядом практических преимуществ. Он относительно хорошо проводит тепло и обладает высокой деформируемостью, что позволяет придавать ему форму гранул миллиметрового размера или тонких листов, которые могут эффективно обмениваться теплом. Даже после сильной деформации, быстрых изменений температуры и многократного циклического изменения давления барокалорические характеристики остаются стабильными — важный признак надёжности для будущих твердотельных технологий охлаждения.
Эта работа представляет новую материальную платформу, сочетающую гигантские объёмные барокалорические эффекты, хорошую механическую технологичность и относительно высокую теплопроводность, предлагая новые возможности для экологически чистых технологий охлаждения следующего поколения.
Предоставлено Китайской академией наук.