Araştırma, katı punk etkisini bulur
Soğutma teknolojisi, günümüz toplumunda endüstriyel ve tarımsal üretim ve günlük yaşam gibi birçok alanda hayati bir rol oynamaktadır.Birleşmiş Milletler istatistikleri, her yıl dünya elektriğinin% 25-30'unun çeşitli soğutma uygulamaları için kullanıldığını göstermektedir. Bu uygulamaların çoğu geleneksel gaz sıkıştırmalı soğutma teknolojisine dayanmaktadır ve çevreye ve insanlara zararlı olan soğutucular yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle, yeşil, çevre dostu ve düşük enerjili alternatif soğutma çözümleri aramak, akademi ve endüstrinin ortak çabalarının yönü haline geldi.
Son yıllarda, katı hal faz değişimi ısıtma etkilerine (kalorik etkiler) dayalı katı hal soğutma teknolojisi, geleneksel gaz sıkıştırmalı soğutmanın yerini alacak en umut verici teknik çözüm olarak kabul edilmektedir. Katı hal faz değişim termal etkileri, başlıca manyetokalorik etki (MCE), elektrokalorik etki (ECE), elastokalorik etki (eCE) ve barokalorik etkiyi (BCE) içerir. İlk üçü, karşılık gelen dış alanlarla ferroiklerde manyetik moment, ferroelektrik polarizasyon veya kristal yapı alanı düzeninin düzenlenmesinden türetilirken, ikincisi genellikle kristal yapının basınçla indüklenen faz geçişini içerir. Katı faz değişimli soğutma malzemelerinin performansı esas olarak izotermal entropi değişimi ile tanımlanır. Katı sıkıştırma etkisinin soğutma döngüsü Şekil 1'de gösterilmektedir. Yukarıdaki fiziksel anlayışın ardından, onlarca yıllık gelişimin ardından, ana akım katı faz değişimli soğutma malzemelerinin izotermal entropi değişimi yaklaşık 50 J kg-1K-1'e yükseldi ve bu teknolojinin uygulanmasının önünde bir engel haline gelen daha geniş bir dış alan gerekiyor. Bu nedenle, katı faz değişimli soğutma malzemelerinin performansının nasıl iyileştirileceği hem fiziksel anlamı hem de uygulama değeri ile bir araştırma konusu haline gelmiştir.
İşlevsel Malzemeler ve Cihazlar Bölümü, Metal Araştırma Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Li Ming, Zhang Zhidong ve Ren Weijun'dan araştırmacılardan oluşan bir araştırma ekibi, plastik kristaller adı verilen bir dizi organik malzemede moleküler yönelim düzenine dayalı bir sıkıştırma etkisi keşfetti. Maksimum entropi değişimi, Şekil 2'de gösterildiği gibi, geleneksel katı faz değişimli soğutma malzemelerinden daha büyük bir büyüklük sırası olan 687 J kg-1K-1'dir. Plastik kristal oldukça düzensiz katı bir malzemedir.Organik moleküllerinin veya inorganik yapısal birimlerinin yönelimi tamamen düzensizdir, ancak kütle merkezinin konumu uzun menzilli düzenli bir kafes oluşturur. Bu sistemlerde, gerekli sürüş basıncı son derece düşüktür ve malzemeler çok ucuzdur, bu da cazip uygulama olanaklarına sahiptir. Model malzemesi olarak neopentil glikol (İngilizce adı: neopentilglikol; moleküler formül: C5H12O2; IUPAC adı 2,2-Dimetilpropan-1,3-diol), yüksek basınçlı termal ölçüm teknolojisi, yüksek basınçlı nötron saçılım teknolojisi kullanarak seçin, Yüksek basınçlı senkrotron radyasyon X-ışını kırınım teknolojisi, vb., Plastik kristal malzemelerdeki Ponzika etkisinin derin düzey fiziksel mekanizmasını ortaya çıkardı. Bu araştırma çalışması Nature'da yayınlandı (Nature567, 506 (2019)) Li Bing, makalenin bağımsız ilk yazarı ve ilgili yazarıdır. Dergi ayrıca çalışmanın anlamını ve önemini açıklamak için "Plastik kristallere dayalı soğutma" adlı kısa bir yorum makalesi yayınladı.
Metaller Enstitüsü'nden araştırmacılar ve Japonya Osaka Üniversitesi'nde doçent olan Takeshi Sugahara, yüksek basınç koşullarında NPG'nin izoterm entropi değişimini ölçmek için yüksek basınçlı bir mikrokalorimetre kullandılar ve entropi değişiminin 45.0MPa-389 J kg-1K- basınç altında maksimum değerine ulaştığını buldular. 1'dir ve 15,2 MPa'da maksimum değerin yarısına ulaşmıştır (Şekil 3b). Bu itme basıncı, geleneksel kıstırma etkisi malzemelerinden çok daha düşüktür ve bariz uygulama avantajlarına sahiptir. Daha sonra, Japon büyük ölçekli senkrotron radyasyon kaynağı doktorları SPring-8 Saori I.Kawaguchi, Shogo Kawaguchi, Koji Ohara, Chen Yanna, Profesör Osami Sakata'nın yardımıyla BL02B2 ve BL04B2 spektrometrelerinde yüksek çözünürlüklü senkrotron X-ışınları gerçekleştirildi. Kırınım ve yüksek basınçlı senkrotron X-ışını kırınım ölçümleri, basıncın malzemeyi düzensizlikten sıraya bir faz değişikliğine maruz bırakabileceğini bulmuştur (Şekil 3c). En önemlisi Japon Spallation Neutron Source (J-PARC) Nötron Bilimi Direktörü Kenji Nakajima, Müdür Yardımcısı Yukinobu Kawakita, Ph.D. Seiko Kawamura, Takanori Hattori ve Tatsuya Kikuchi'nin tam desteği ve koordinasyonuyla sayısız teknik zorluğu aştık. , Yüksek basınçlı ultra yüksek hassasiyetli yarı elastik nötron saçılma ölçümünü çok kısa sürede başarıyla gerçekleştirdi. Dünyanın en yüksek enerji çözünürlüklü soğuk nötron uçuş süresi spektrometresi AMATERAS ve özel olarak tasarlanmış ve işlenmiş yüksek basınçlı numune boşluğu kullanılarak, NPG numunesinin yüksek basınçlı ortamda yarı elastik nötron saçılma spektrumu elde edilir ve bu, atomik seviyeden moleküler yönelim üzerindeki basıncı doğrudan ortaya çıkarır. Düzensiz baskılama, Ponzika etkisinin temel nedenidir (Şekil 3d-g). Bu deneysel sonuç, Florida Eyalet Üniversitesi'nde Yardımcı Doçent Shangchao Lin'in grubunun moleküler dinamik simülasyon sonuçlarıyla da doğrulandı (Şekil 3h, i). Aynı zamanda, Avustralya Nükleer Bilim ve Teknoloji Örgütü'nden (ANSTO) Dr. Dehong Yu ve Richard Mole ile uçuş zamanı spektrometresi PELICAN hakkında eksiksiz kafes dinamiği verileri elde etmek için işbirliği yaptık ve güçlü uyumsuz özellikler bulduk.
Araştırma ekibi, büyük bilimsel cihazın güçlü deneysel yeteneklerinin yardımıyla, Ponceka etkisinin fiziksel mekanizmasını başarıyla oluşturdu ve Ponceka etkisinin temel kaynağı perspektifinden keşfedildiğini doğruladı. Plastik kristalin özel hali, hem kristal hem de sıvı özelliklerine sahiptir. Büyük moleküler yönelim bozukluğu, katı faz geçişindeki entropi değişiminin eriyen entropiden daha büyük olmasına neden olur ve sistemin toplam serbestlik derecelerindeki düzensiz serbestlik derecelerinin oranı, katının sertliğini koruma sınırına yakındır; moleküller arasındaki zayıf etkileşimler, büyük Sıkıştırılabilirlik, küçük bir basınç, faz değişimini tetikleyebilir; güçlü kafes uyumsuzluğu, kristal kafesin basınç etkisini entropi değişimine dönüştürür. Bu çalışmada rapor edilen organik malzemeler düşük itici basınç ve düşük maliyet gerektirir ve bariz uygulama değerine sahiptir. Aynı zamanda, katı faz değişimli soğutma malzemelerinin araştırma alanına plastik kristallerin dahil edilmesi, katı faz değişimli soğutma araştırmalarının malzeme sistemini büyük ölçüde zenginleştirecek ve malzemeleri daha iyi performansla keşfetme ve tasarlama imkanı sağlayacaktır.
Bu çalışmaya ayrıca Tayvan Synchrotron Radyasyon Araştırma Merkezi ANSTO ekibinin bir üyesi olan Shin-ichiro Yano, California Üniversitesi, Irvine'den Ph.D. Wang Hui ve Pekin Yüksek Gerilim Araştırma Merkezi'nde araştırmacı olan Li Kuo da katılıyor. Bu çalışma Çin Bilimler Akademisi, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (11804346, 51671192, 51531008) "Yüz Yetenek Programı" tarafından finanse edildi ve ayrıca J-PARC (2018AU1401, 2018B0014), SPring-8 (2018B1095, 2018A2061) ve ANSTO'nun büyük bilimsel kurulumları tarafından finanse edildi yanında olmak.
Şekil 1 Sıkıştırma etkili malzemenin soğutma döngüsünün şematik diyagramı
Şekil 2 Bu çalışmada bildirilen plastik kristal malzeme ile mevcut ana akım katı faz değişimli soğutma malzemesi arasındaki maksimum izotermal entropi değişiminin karşılaştırması. Bunlar arasında plastik kristal malzemeler şunlardır: neopentilglikol (NPG), pentagliserin (PG), pentaeritritol (PE), 2-Amino-2-metil-1, 3-propandiol (AMP), tris (hidroksimetil) aminometan (TRIS), 2 -Metil-2-nitro-1-propanol (MNP), 2-Nitro-2-metil-1,3-propandiol (NMP).
Şekil 3 Temsili plastik kristal malzeme NPG'nin yüksek basınçlı fiziksel özellikleri. (A) Yüksek basınçlı mikrokalorimetre ile belirlenen sıcaklık-basınç faz diyagramı; (b) Sıcaklıkla birlikte basınç kaynaklı entropi değişimi; (c) Yüksek basınçlı senkrotron radyasyon X-ışını kırınımı; (d-g) Normal basınç ve 286MPa basınç altında Farklı olay nötron enerjileri için esnek olmayan nötron saçılım verileri; (h, i) normal basınç ve 200MPa altında moleküler dinamik simülasyon sonuçları.
Kaynak: Metal Araştırmaları Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, şunları yapmalısınız: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
