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  12月1日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院前瞻交叉研究中心錢小石教授課題組在Science上發(fā)表“Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer”的論文，開(kāi)發(fā)了一種高分子拓?fù)浣缑嫱庋蛹夹g(shù)，通過(guò)小分子晶體犧牲層誘導(dǎo)高分子極化界面的廣泛形成，使得鐵電聚合物在外界電場(chǎng)作用下展現(xiàn)出巨大熵變，在傳統(tǒng)的偏氟乙烯基弛豫鐵電高分子中實(shí)現(xiàn)了龐電卡效應(yīng)，并揭示了拓?fù)渫庋拥臉O化界面在外加電場(chǎng)調(diào)控下的熵變機(jī)理。錢小石教授為本文唯一通訊作者，博士生鄭珊瑜為論文第一作者。這是錢小石課題組本年度第二次以第一作者單位在Science上發(fā)表論文。

  巨電卡效應(yīng)是一種奇特的凝聚態(tài)物理現(xiàn)象，利用固體電介質(zhì)充放電過(guò)程中交替極化-退極化產(chǎn)生可逆的電致溫變所組成的制冷循環(huán)。電卡制冷系統(tǒng)具有電能損耗小，能效高，具有零溫室效應(yīng)潛能和易于小型化、輕量化等特點(diǎn)，為制冷劑的替代和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要的顛覆性前瞻技術(shù)之一。通過(guò)降低弛豫體極性疇尺寸策略，可降低兩個(gè)極性熵態(tài)間偶極翻轉(zhuǎn)能壘，從而增加電場(chǎng)誘導(dǎo)的偶極熵變。目前所報(bào)道的晶疇尺寸都在100-20納米，但由于弛豫鐵電體復(fù)雜的結(jié)晶過(guò)程，進(jìn)一步將晶疇尺寸減小到亞納米尺度極具挑戰(zhàn)。

DMHD分子誘導(dǎo)聚合物界面增強(qiáng)效應(yīng)表現(xiàn)出巨電卡性能

界面增強(qiáng)極性和非極性構(gòu)像的IR-PiFM表征

界面增強(qiáng)聚合物和普通聚合物的結(jié)構(gòu)分析

改性聚合物的介電行為和循環(huán)性能

  采用Landau-Ginzburg-Devonshire熱力學(xué)模型，并輔以相場(chǎng)模擬來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試的ECE，以提供定量的理解。通過(guò)對(duì)介電性能分析，極化強(qiáng)度和介電常數(shù)的提升證實(shí)了界面增強(qiáng)型電卡效應(yīng)材料的存在。同時(shí)介電擊穿電場(chǎng)也提高了近150%，有利于電卡制冷實(shí)際循環(huán)運(yùn)行。作為犧牲劑的DMHD創(chuàng)造的極性構(gòu)像提高了材料整體的介電性能，沒(méi)有像永久性復(fù)合填料那樣帶來(lái)各種不利并發(fā)癥。改性后的納米孔極性界面暴露在不受物理約束的自由體積中，這顯著提高了TPD樣品的單位極化對(duì)熵的貢獻(xiàn)能力。

  TPD巨電卡效應(yīng)在室溫附近具有良好的溫度穩(wěn)定性，可以覆蓋10℃到70℃的有效溫度窗口，因此可以得到最大的RC制冷能力。TPD的制冷效率COP_mat和普通聚合物相比提高了250%，這可進(jìn)一步減小電源的尺寸和重量，為潛在的便攜式電卡冷卻裝置提供動(dòng)力。TPD樣品在最長(zhǎng)300萬(wàn)次的循環(huán)壽命(> 70天)內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)越的電卡誘導(dǎo)熵變化，使其成為實(shí)用電卡器件的良好候選者。

  這是我國(guó)科研單位首次以第一作者單位在Science上發(fā)表以電卡制冷為主題的研究論文。論文研究工作獲得多個(gè)團(tuán)隊(duì)支持，其中澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)平臺(tái)的準(zhǔn)彈性中子散射實(shí)驗(yàn)由上海交通大學(xué)物理學(xué)院、自然科學(xué)研究院教授洪亮團(tuán)隊(duì)完成；機(jī)動(dòng)學(xué)院陳江平教授，北京理工大學(xué)黃厚兵團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)楊玉榮團(tuán)隊(duì)為本研究提供了重要支撐。此外， Molecular Vista公司和布魯克（北京）科技有限公司也參與了關(guān)于納米紅外的研究工作。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7812