【题记】前几天写过的那个发Science文章的小吴博士和他的小伙伴们今晚八点在iCANX Youth Talks直播讲座他的最新成果！真为吴瀚翔博士感到骄傲，期待他的精彩讲座！
Science：UCLA裴启兵教授课题组开发新型固态自我再生热泵
2024-11-01
全世界约20%的电力被用于空调和制冷的目的。尽管蒸汽压缩制冷（Vapor-compression cooling, VCC）技术已存在一个世纪，但仍然是被普遍使用的主动制冷技术。然而其存在低效率、噪音污染、体积庞大和温室气体泄漏等问题。全球变暖的加剧使得引入新型高效环保的制冷技术变得迫在眉睫。近年来，热电制冷技术在紧凑型和便携式制冷设备中崭露头角。然而这项技术由于性能系数（coefficient of performance, COP）较低，通常需要通过二次冷却以防止热端过热。科研人员正在探究多种热卡效应以实现高效的固态制冷。这些热卡材料在施加磁场（磁卡效应magnetocaloric）、机械应变（弹卡效应elastocaloric和压卡效应baroelectric）或电场（电卡效应electrocaloric）时，都会经历显著的可逆熵变，从而导致绝热温度变化。在这些效应中，电卡效应具有将电能直接可逆转化为热能的特点。巨电卡材料的存在以及便于施加的电场，揭示着高效率、简单集成和紧凑冷却系统的前景。
为将热量从冷端搬运到热端，电卡材料的热力学循环必须与传热机制相耦合。此外，已知的电卡材料的稳定绝热温变（ΔTECE）通常只有几开尔文，远低于实际制冷设备所需的温度变化。因此，需要使用级联或再生的方式进行提高。主动热再生和级联机制往往需要与电卡热力学循环同步运行的独立泵或驱动器，这消耗了额外的能量并增加了设备体积。基于PVDF的聚合物在高电场下的电致伸缩驱动已长期被研究，并且在近期被提出可应用于热泵。
加州大学洛杉矶分校裴启兵教授课题组发明了一种自我再生热泵（Self-Regenerative Heat Pump, SRHP），充分利用了P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的电致伸缩形变，形成与材料的电卡循环天然同步的热传输机制，从而实现高效且紧凑的固态制冷。SRHP由六个单元级联组成，其总厚度小于6mm。每个薄膜组上的背层（backing layer）将薄膜在外部电场下的较大平面膨胀转化为规则的垂直形变和较大的下压力，以便与相邻单元成良好的热接触。当邻近单元被设定为反相工作时，热量可顺畅地从级联制冷器的一端被逐级传输到另一端。相关成果以“A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer”为题发表在Science期刊上。加州大学洛杉矶分校博士后吴瀚翔、博士生祝媛、博士后颜文忠为共同第一作者。
图1：自我再生热泵（SRHP）的结构和工作原理
SRHP的有效制冷面积约为4.52cm2，总厚度小于6mm。导热通路上除电卡材料外，仅有厚度为25μm的聚酰亚胺（polyimide）背层作为力学引导和电学绝缘层。利用三元聚合物材料的电卡效应和电致伸缩驱动的同时性，且令奇数和偶数编号的单元器件反相工作，可以达到级联传热的效果。器件的顶层与热源接触，底层与散热器接触。
图2：集成了电卡效应和电致伸缩效应的单元器件的工作原理
当三元聚合物薄膜两端电极被施加电压时，薄膜进入低熵态并产生瞬时升温；撤销电压时恢复高熵态并经历瞬时降温，这一可逆过程称为电卡效应。施加电压时薄膜产生面内膨胀，撤销电压时恢复原始面积，这一可逆过程称为电致伸缩效应。电卡效应和电致伸缩效应具有同时性，该工作认为其具有相同的微观来源。即分子链内部偶极子在电场下的可逆转动，一方面造成材料熵降低（电卡效应），一方面造成分子链伸长（电致伸缩效应），详见图S3。在不对称力学特征的引导下，电致伸缩效应使得单元器件向三元聚合物薄膜一侧弯曲。其耗时约15ms，这展现了高频驱动的潜力。该工作制备的电卡材料绝热温变在80MV/m的电场强度下约为4.4K。
图3：SRHP的制冷性能
6单元级联制冷器件可在30秒的时间内将温度降至低于室温8.8K，器件顶层与底层温差可达14.2K。器件最大制冷功率为0.78W。在取得较大的制冷温差的同时，还能保持较高的制冷功率。
图4：SRHP的参数优化及性能对比
在效率达73%的能量回收电路加持下，6层级联制冷器件在7.4K的制冷温差（Tcooled）下的卡诺效率可达26%（COP为10.1），其总功耗仅为73mW。该器件的综合最优工作频率为1Hz。与其他电卡制冷器件相比，SRHP同时具有高制冷温差（Tcooled = 8.8K）和单位质量制冷功率（specific cooling power = 1.52W/g）的特点。
总结：SRHP将P(VDF-TrFE-CFE)的受控电致伸缩形变作为一种可靠的驱动方法，与聚合物的电卡效应同时使用，展示了紧凑的固态制冷应用。Polyimide背层有效地将电卡聚合物薄膜的面内膨胀转换为大幅度的面外形变，并具备高下压力，以便与相邻单元器件形成良好的热接触。单元器件的直接接触使得传热路径中的寄生材料最小化。相邻器件的反相运行实现了级联架构中的自我再生传热。6单元SRHP中达到了8.8K的最大制冷温差，以及172mW/cm²的热通量。此外，其具有较低的响应时间、较小的体积与质量、较高的性能系数（coefficient of performance, COP）等特点。这使其在便携式应用中具有优势，能够满足包括电子设备在高峰运行时的主动散热和在极端高温事件中对人体的散热需求。最后，本研究提供了一种可规模化的电卡聚合物薄膜及单元器件的制造工艺，这对实现高产能和性能至关重要。
软材料课题组（Soft Materials Research Laboratory, https://peigroup.seas.ucla.edu/）隶属于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系，专注于合成聚合物和复合材料在先进电子、机械和光电设备方面的研发。当前主要研究课题包括（1）可拉伸电子学：开发透明复合导体、灵活和可拉伸的聚合物电子设备；（2）人造肌肉：研究介电弹性体和双稳态电活性聚合物，展现超过50%的电致应变；（3）纳米复合材料：将高原子序数纳米颗粒与共轭发光聚合物结合用于辐射闪烁；以及（4）高热导率的介电材料或用于柔性电卡制冷的材料。SMRL拥有三个实验室，分别用于有机/聚合物合成、材料表征和电子器件制造，以及材料加工和机电器件制造。
今天收到一封让人非常兴奋的邮件：
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DearProf. Zhang,
Thankyou for submitting your revised manuscript entitled "Self-PoweredNon-Contact Electronic Skin for Motion Sensing" to Advanced FunctionalMaterials.
I'm pleased to informyou that your manuscript has been accepted for publication without furtherchange.
不仅仅是又发表了一篇重要论文（今年的第15篇SCI论文），更重要的是这篇论文的作者小吴同学是我指导的一位挚爱科学的18岁大四学生，他的成长故事是一个非常值得借鉴和深思的教育实例。
这是一个北大的少年大学生，从某少年班通过高考来到我们学院的，他们的大一第一堂课《信息科学技术概论》是我上的，孩子很喜欢，大一第二个学期也选择了我在大一开设的微电子基础课《微纳集成系统实验班》，成绩也很不错，大二上学期结束的时候他来找我：
老师，我现在不知道除了刷GPA以外，学习还有啥意义？
仔细一问，他的GPA很不错，但是感觉大学跟自己的想象不一样：除了紧张上课、追求更高的GPA以外，没有很大的挑战性，所以开始问学习的意义了！
我跟他说：
同学，别问学习有啥意义了，抑郁症都是这么问出来的，来上我的《创新工程实践》课吧，下学期就有，可以跟全校不同院系的同学一起上课、一起做你自己想的创新项目，很有挑战性。
于是，他选了我们开设的这门课全校通识课《创新工程实践》（英文名字iCAN•PKU），正好是第一次上全国的直播慕课，每周在北大的课都是网上跟全国其他高校的同学一起上、一起头脑风暴，同学们自己组成团队完成不同的创新项目，很有挑战性也很有意思，还结交了很多新朋友。
记得那个学期结课是6月8日晚上6：40-9：30，跟全国其他学校的同学同台展示，他们的项目是一个非常有趣的可以共享的密码控制箱，展示也非常棒，大家都很喜欢，团队合作很愉快，小吴负责展示具体的功能，我记得当时展示时间很紧张，我本来想跳过实际功能展示环节，他说：老师，真的很有趣，让大家现场试试吧。他的展示很成功。结束以后，大家在教室里热烈讨论庆祝一直到10：30教学楼关门才离开。
凌晨2：30我收到他的邮件：
张老师，创新工程实践课上我们做的很有趣，感觉这门课十分有意义，教会了我们很多在其他课堂里学不到的东西。昨天结课的时候我想，这是我上过的最独一无二的精彩的课程！谢谢您给我们提供的这次机会，使我们能够接触和完成这么多好玩而有价值的事物！
第二天下午他就来了我的办公室：
老师，我现在满脑子都想做创新的东西，停不下来啦，我该怎么办？
我说：
好办啊，现在基本的创新思维方法已经掌握了，也经过了创新项目的训练，你来我的研究小组做科研项目吧，这里有很多和你一样创新停不下来的学生，很有意思的项目，欢迎你。
于是，他就在去年的暑假加盟了我的Alice Wonderlab，安排他跟着师兄们一起做科研项目，他参加的第一个项目是“Self-Powered Wireless Smart Patch for healthcare Monitoring”，是一位硕士研究生负责的项目，他跟着一起做实验和测试学习基本的实验技术，他学的很快，很快就掌握了关键的器件制备和测试技术，尤其是他的数学基础比较好，善于钻研，很快就成了这个项目的主力成员，在海量数据的收集整理和处理上提出了自己的办法，这个工作的论文是今年春节期间发表的，他和师兄做了并列第一作者（Nano Energy 32 (2017), 479-487，IF=11.553）。一个大三的学生，发表了并列第一作者的影响因子大约10的论文！真是初战告捷！
大家想不到的是，元旦前后这项工作基本完成，论文投出去以后，他又来找我了：
老师，在做这个工作的时候，我有了更好的想法，我想试试！
必须可以啊！我们仔细讨论了他的想法、确定了初步方案，他就开始准备期末开始和做实验了，没想到，他的效率很高，在期末考试到我带博士生春节前出国参加国际交流他竟然做了大量的实验，积累了不少数据，等我们从国外开会回来、春节假期还没有结束，他满满当当的数据报告又来了：老师，我放假后一直在学校做实验、这是整理好的数据！
这个孩子，他竟然只有春节那几天休息了一下，超额超前完成了我们的实验计划，数据很好，不过，我们也发现了更有意思的事，我跟他说：咱们是不是再挑战一下？在这个基础上，做个更创新更有意义的？
“为什么不呢？！”小吴同学的回答更加让人兴奋。
于是，我们又开始设计新的实验，更具有挑战性的工作，就是这篇：Self-Powered Non-Contact Electronic Skin for Motion Sensing，非接触式控制的自驱动电子皮肤，就像电影里看到的隔空控制屏幕一样炫酷！这次他担当大梁，由其他师兄辅助和帮忙，一个学期的努力高质量地完成了器件的设计、测试和数据处理，而且开始撰写论文，6-8月他去美国UIUC做学期实习，这期间更是努力，一方面要完成那边老师交代的工作，一方面要赶写和修改论文，真的是拼命三郎，没想到这篇他独立第一作者的论文很顺利，投稿不到3个月经过一次修改就正式被AFM（Advanced Functional Materials，IF=12.123）接收啦，真为这位刚刚过了18岁生日的小吴同学感到高兴！
从小吴同学过去三年多的大学经历，我们看到一个热爱钻研、对科学充满兴趣、对挑战充满信心的孩子的成长，可以说现在他已经正式踏上了科研之路！上周，他还获得了我们学院本科生科研的第一名！还获得了学校的奖学金！本周，他另外一篇论文也已经基本撰写完毕可以投稿了……期待他不断地带给我们惊喜、不断地挑战自己、做出更有突破性的创新科研成果，也真心希望我们周围这样的聪明、勤奋、有思想的科研好苗子越来越多！
