2025-09-15
Долгое время технология газового компрессионного охлаждения, используемая в кондиционерах и холодильниках, страдала от высокого энергопотребления и потенциального выброса вредных газов. Недавно группа исследователей из Института исследований металлов Китайской академии наук совершила крупный прорыв, открыв гексафторфосфат калия (KPF6) – единственный на сегодняшний день твердотельный материал для охлаждения с фазовым переходом, работающий в широком температурном диапазоне. Результаты исследования были официально опубликованы в журнале Nature Communications 20 августа.
Благодаря своей уникальной внутренней структуре этот материал претерпевает фазовый переход под давлением в чрезвычайно широком диапазоне температур, обеспечивая охлаждающий эффект. Этот прорыв преодолевает технический барьер, ограничивающий традиционные твердотельные материалы для охлаждения с фазовым переходом узким температурным диапазоном. Этот прорыв устраняет необходимость в сложных устройствах, изготовленных из нескольких материалов, значительно упрощает архитектуру холодильной системы и снижает эксплуатационные расходы, открывая путь новому поколению эффективных и экологически чистых технологий охлаждения, основанных исключительно на твердотельном оборудовании. Твердотельное охлаждение с фазовым переходом (SPC), востребованная альтернатива, обладает такими преимуществами, как отсутствие выбросов и более высокая теоретическая эффективность по сравнению с газовым компрессионным охлаждением. Однако его долгое время сдерживало ключевое техническое ограничение: традиционные SPC-материалы претерпевают фазовые переходы под давлением только в узком диапазоне температур, близком к комнатной, что ограничивает диапазон их охлаждающего эффекта. На практике для достижения широкого диапазона температур часто требуется объединение нескольких материалов с различными температурами фазового перехода в многоступенчатое холодильное устройство, что значительно увеличивает сложность системы и стоимость применения.
Открытие группой материала гексафторфосфата калия (KFPP) позволяет преодолеть это техническое ограничение. Они впервые наблюдали «эффект сжатия при полной температуре» в этом материале. Эксперименты показывают, что KFPP при комнатной температуре и атмосферном давлении имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, в которой молекулы гексафторфосфата свободно и хаотично вращаются. При понижении температуры он претерпевает два внутренних структурных изменения, преобразуясь в различные моноклинные структуры. Под давлением эти структуры преобразуются в другую ромбоэдрическую структуру. Эта серия фазовых переходов сопровождается значительными эндо- и экзотермическими эффектами, что обеспечивает чрезвычайно широкий диапазон температур охлаждения.
Согласно имеющимся данным, это открытие фундаментально изменило традиционный подход к исследованиям и разработкам в области твердотельного охлаждения с фазовым переходом, основанный на «комбинации нескольких материалов». Оно не только открывает новый технический путь для энергосберегающей и экологически безопасной модернизации гражданского холодильного оборудования, такого как холодильники и кондиционеры, но и, как ожидается, обеспечит новые решения для низкотемпературных потребностей в таких передовых областях, как аэрокосмическая промышленность, квантовые технологии и сверхпроводящие технологии.
