近日，南京航空航天大学郭万林院士团队的张助华等人通过原子尺度计算与热力学分析相结合的方式，发现了三维石墨烯架构中的室温庞弹卡效应，该研究成果以“Room-Temperature Colossal Elastocaloric Effects in Three-Dimensional Graphene Architectures: An Atomistic Study”为题在线发表在《Advanced Functional Materials》上。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203866

制冷技术在日常生活和工农业生产中起到了至关重要的作用。双碳背景下，探索新型制冷材料和技术方案有望从根源上解决制冷技术领域的“卡脖子”问题。

近年来，固态制冷技术具有绿色环保和热响应大等优点被认为是最有希望取代传统气体压缩制冷的选择。固态制冷效应主要包括磁卡效应、电卡效应、弹卡效应和压卡效应。早期发展的基于磁卡和电卡效应的固态制冷材料通常需要很大的磁场或电场才能产生较大的温变，使用成本高。近期备受关注的弹卡/压卡固态制冷材料往往只在远离室温的区间内才表现出大的热响应，并且存在着机械疲劳和热滞后问题，导致制冷效率较低。因此，寻找具有低热滞、高抗疲劳性、高制冷效率的固态制冷材料成为当下固态制冷技术发展的主要目标。

图1. (a)典型三维石墨烯框架的原子结构示意图; (b) 基于常规弹卡效应和逆弹卡效应的理想制冷循环示意图。

前沿院学术团队通过大尺度的分子动力学模拟与热力学分析相结合的方法，系统研究了实验可制备的三维石墨烯架构中的可逆弹卡效应，发现对于典型的三维石墨烯框架结构，在室温附近0.7 GPa的压力下，评估的绝热温度变化可以高达155 K，弹卡强度ΔT/Δσ为300 K Gpa-1，制冷效率COP高达44。区别于以往报道的大多数固态相变制冷材料，该材料几乎没有热滞后，并表现出了优异的抗疲劳性和高导热性。此外，通过材料的几何设计可显著降低实现大温变所需的压力，进一步提升了低场驱动弹卡效应的应用潜力。更有趣的是，对该材料施加拉伸应变可提高体系的温度(正弹卡效应)，而施加压缩应变则会降低体系的温度(负弹卡效应)，使得正、负弹卡效应可在同一体系中实现。这项工作为开发新型无相变固态制冷材料提供了新思路，也揭示了多孔纳米碳材料新的应用。

图2. (a) 在室温下, 典型的三维石墨烯框架结构的绝热温度T和相应的应变随时间的变化曲线; (b) 不同应变下，三维石墨烯框架结构的局部原子构型。

图3. (a)不同初始温度下，记录的绝热温变ΔT随施加应变的变化;  (b)不同初始温度T0下的最大绝热温变ΔTmax。

图4. (a)不同初始温度下, 记录的绝热温变ΔT随拉伸应力的变化曲线; (b)不同初始温度下, 记录的绝热温变ΔT随压缩应力的变化曲线; (c) 不同的初始温度下, 弹卡强度|ΔT|/|Δσ|随拉伸应力的变化曲线, 对应于常规弹卡效应(d) 不同初始温度下的弹卡强度, 对应于逆弹卡效应。 

图5. 在室温下，不同几何尺寸石墨烯框架结构的绝热温变ΔT随拉伸应力(a)和压缩应力(b)的变化曲线; (c)不同几何尺寸石墨烯框架结构的弹卡强度|ΔT|/|Δσ|随拉伸应力的变化，对应常规弹卡效应; (d)不同几何尺寸石墨烯框架结构的弹卡强度，对应逆弹卡效应。

图6. 代表性三维石墨烯框架结构([5, 10]和[5, 12])与先前报道的弹卡和压卡材料在绝热温变|ΔT|，等温熵变|ΔS|和弹卡强度|ΔT|/|Δσ|方面的比较。

该论文第一作者为赵志强博士生，郭万林院士与张助华教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等的资助。郭万林院士与张助华教授为该工作的共同通讯作者，博士研究生赵志强为第一作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等的资助。

值得一提的是，该团队不久前还发现了纳尺度受限水的室温巨压卡效应，以“Giant mechanocaloric effect of nanoconfined water near room temperature”为题发表在Cell出版社旗下的新晋物质科学类子刊《Cell Reports Physical Science》上(https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100822)。