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压卡材料（BC）通过固态相变对压力的影响产生热吸收，为高效节能制冷提供了潜力。然而，很少有已知材料在家庭制冷或空调所需的温度区域具有所需的相变。
在此，澳大利亚迪肯大学Jennifer M. Pringle教授和澳大利亚莫纳什大学Douglas R. MacFarlane教授等人引入有机离子塑晶（OIPCs）作为BC材料的新家族。OIPCs展现出亚环境转变温度，所谓的“巨大”熵变（每千克每开尔文92至240焦耳），以及对压力的高度敏感性，高达每千巴23.7开尔文。通过离子的结构改性，可以实现这些原型OIPC-BC的BC响应的可调性。因此，这种可能的结构和功能组合的广泛矩阵表明了OIPCs作为一类新的高效和可持续冷却技术材料的范围。
相关文章以“Organic ionic plastic crystals having colossal barocaloric effects for sustainable refrigeration”为题发表在Science上。这也是Douglas R. MacFarlane教授半个月内刊发的第二篇正刊！
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空调和电风扇已经占到全球电力消耗的10%，预计在未来二十年内，随着气候变暖，这一比例将大幅增加，到2050年能源需求将增加两倍，接近今天印度和中国总电力消耗的水平。同时，空调将成为峰值电力需求的主要贡献者，加剧了可再生能源间歇性问题和对大规模能源储存的需求，同时排放更多的温室气体。因此，推进制冷技术被视为降低日益增长的能源成本的紧迫优先事项，国际能源署的2050年净零排放情景要求到2030年空调效率提高50%。
其中，固态热材料作为传统制冷技术中使用的制冷剂的替代品正在出现，尽管效率持续提高，但这些技术一个多世纪以来基本保持不变，对压力变化等扰动产生热响应。因此，相关冷却系统可以按照与蒸汽压缩循环相同的热力学原理运行，同时避免使用高全球变暖潜力的工作流体，并提供更高效制冷的潜力。最有希望的选项之一是压卡效应，使用静水压力来驱动固体材料中的相变。对固态压卡循环感兴趣的一个原始原因是迫切需要替换氢氟烃作为制冷剂，它们具有高全球变暖潜力。对可以应用于这些材料的制冷循环的详细分析表明，在某些条件下，压卡循环在家庭制冷和空调方面可以大幅优于传统蒸汽压缩循环的能源成本。本文描述了一些本身具有潜力的材料，并展示了一大类化合物，有机离子塑性晶体（OIPCs）（图1A）。OIPCs具有与分子塑性晶体相同的优势特征，并且具有几乎可以忽略不计的蒸汽压力的额外优势。与分子塑性晶体不同，OIPCs由阳离子和阴离子组成，在固态转变中的动态变化复杂。因此，其热性质是多样的，有时观察到多个固态相，而其他OIPCs只显示一个高熵固态-固态相变。OIPCs中的可逆一级固态-固态转变通常发生在适合冷却应用的亚环境温度，使它们成为高效冷却技术的极具吸引力的选择。作者报道了四种原型OIPCs的首次压卡研究（图1A），基于它们已知的热物理性质和转变温度选择了这些OIPCs，包括在之前的工作中观察到的大熵变。这些OIPCs内部的相变性质也表明在转变时可能会有大的体积变化，导致预测转变温度对压力的高度敏感性。同时使用差示扫描量热法（DSC）和高压差示热分析（HP-DTA）直接研究压力对转变的影响，以及使用比重法研究体积变化，并允许分析压卡性质。在可能的情况下，还使用单晶X射线晶体学来探测固态转变过程中的晶体结构变化。总的来说，有机离子塑性晶体（OIPCs）是一类极具前景的压卡材料，它们在施加适度静水压力下能够经历高熵转变，提供了大多数冷却应用所需的亚环境温度下的固态-固态转变。一些OIPCs的极低转变温度，使得进一步调整转变温度以适应特定应用成为可能，通过增加较低的工作压力，但这种范围最终受到系统工作需求增加的限制。同时，能够修改OIPC的两个取代离子的化学结构以调整相变属性，为优化压卡属性提供了巨大的范围。作为离子液体的一个亚类，已有大量文献描述了结构修改对由此产生的盐的热物理性质的影响。这些知识可以很容易地应用于这一领域，以指导设计，考虑到性能和广泛的可持续性。探索相变中增加的自由度、离子结构和体积变化之间的关系，应该能够提供对在这里实现的巨大压卡响应负责的机制的见解，允许OIPCs在这方面进一步进步。考虑到这些材料的广泛范围，相信基于OIPC的材料有潜力对未来冷却技术的可持续性做出重大贡献。Samantha L. Piper, Leena Melag†, Mega Kar, Azra Sourjah, Xiong Xiao, Eric F. May, Kondo-Francois Aguey-Zinsou, Douglas R. MacFarlane*, Jennifer M. Pringle*,Organic ionic plastic crystals having colossal barocaloric effects for sustainable refrigeration, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8396🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
