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中南大学王辉教授团队在固态制冷领域取得重要研究进展
2020-09-04 10:01:00
中南大学
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  中南大学物理与电子学院、粉末冶金国家重点实验室成员、超微结构超快过程湖南省重点实验室成员、计算材料物理团队负责人王辉教授及其合作者在固态制冷领域取得重要研究进展。

  研究团队在塑性晶体中发现了基于分子取向序的庞压卡效应,等温熵变最高达687 J Kg-1 K-1,较传统固态相变制冷材料高出了一个数量级,在《Nature》上发表了题为“Colossal barocaloric effects in plastic crystals”的学术论文(Nature 567, 506 (2019)),中南大学为合作完成单位。在此基础上,研究团队开展了进一步的深入研究,揭示了由氢键关联分子取向动力学和压力对分子取向无序抑制的的微观物理机制,为深入理解固态相变熵及其加快固态制冷技术走向应用提供了重要科学价值和指导意义,近日又在《Nature Communications》上发表了题为“Understanding colossal barocaloric effects in plastic crystals”的学术论文(Nat. Commun. 11, 4190 (2020))。物理与电子学院的博士生李芳镖和大学物理实验中心的李敏老师为论文的共同第一作者,中南大学为第一完成单位,王辉教授为该论文的唯一通信作者。

  当今高速发展的社会中,能源是支撑国家经济发展的基础和核心。制冷技术在多个领域中起到了至关重要的作用,然而全球每年约25-30%的电能被用于各种各样的制冷应用。由于传统的制冷设备对氟利昂制冷剂的大量使用和对电能的大量消耗,已经导致严重的环境问题和能源危机。基于压卡效应的新型固态相变制冷循环示意图如上所示,拥有众多优点如无温室效应、绿色环保低能耗、制造形状灵活、冷却系统可以小到单个微芯片、便携程度高。然而,固态相变制冷材料的性能主要由等温熵变所描述,一般在10~50 J kg-1K-1左右且需要较大的驱动外场,成为限制该技术走向应用的“卡脖子”问题。因此,如何从根本上提高固态相变制冷材料的性能成为本领域的前沿核心问题,兼具学术意义和应用价值。

  该项目合作者包含中国科学院金属研究所李昺研究员,长沙理工大学贾传坤教授,日本散列中子源、台湾同步辐射研究中心、北京高压科学研究中心的李阔研究员和中南大学何军教授等国际国内研究人员。该项目得到了国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金、湖南省百人计划,湖湘高层次人才聚集工程创新人才以及中南大学粉末冶金国家重点实验室、科研部、人事处、创新驱动、校启动经费等项目的资助;同时得到了中南大学计算物理研究室高性能仿真模拟平台的支持,该平台由浪潮集团有限公司和湖南华图智能科技有限公司协助搭建。

  王辉教授课题组致力于采用和发展密度泛函理论计算、分子动力学以及蒙特卡洛等多尺度方法,从原子结构层面对材料的基本物理性质与化学过程进行计算设计与理论模拟,已发表包括《Nature》2篇,《Nature Materials》,《Nature Nanotechnology》,《Nature Communications》3篇,《Physical Review Letters》4篇等近50篇科研论文成果。

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