作為一種新型有機(jī)塑晶壓卡材料體系，碳硼烷（C2B10H12）包括三種位置異構(gòu)體：鄰碳硼烷（ortho-carborane）、間碳硼烷（meta-carborane）和對(duì)碳硼烷（para-carborane）。 這類材料均在室溫附近發(fā)生由正交相到四方相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。與目前已報(bào)道的有機(jī)塑晶壓卡材料相比，該體系體現(xiàn)出顯著的綜合性能優(yōu)勢(shì)（如圖1所示）：?jiǎn)挝粔毫ψ兓瘜?dǎo)致的熵變大、相變溫度對(duì)壓力極為敏感、熱滯小。同時(shí)，它們的壓卡性能與三種材料的分子構(gòu)型有關(guān)，對(duì)碳硼烷的性能最優(yōu)，其在30 MPa的小壓力下，最大熵變可達(dá)106.2 J kg-1 K-1。與北京高壓科學(xué)研究中心李闊研究員合作，直接測(cè)量得到約10 K的絕熱溫變。該研究不僅表明碳硼烷體系是一類很有前途的室溫壓卡制冷材料，而且表明精細(xì)調(diào)節(jié)分子構(gòu)型是提高壓卡性能的有效策略。
NH4I是一類無(wú)機(jī)塑晶材料，在268 K附近發(fā)生簡(jiǎn)單立方相到面心立方相的結(jié)構(gòu)相變。利用高壓微量熱儀對(duì)NH4I 在高壓條件下的等溫熵變進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該材料在40 MPa下可實(shí)現(xiàn)71 J kg-1 K-1的可逆等溫熵變。同時(shí)，該材料的相變對(duì)壓力極為敏感，相變溫度隨壓力的變化速率dTt/dP高達(dá)0.79 K MPa-1，遠(yuǎn)高于其他壓卡材料，如圖2所示。對(duì)壓力響應(yīng)敏感的特性使得在80 MPa下可獲得高達(dá)41 K的超寬工作溫區(qū)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為了揭示NH4I對(duì)壓力極為敏感的物理根源，與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所童欣研究員團(tuán)隊(duì)和澳大利亞核科技組織（ANSTO）Dehong Yu博士合作，利用冷中子飛行時(shí)間譜儀Pelican，對(duì)NH4I中的NH4+再取向旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)和晶格動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)該材料中存在極強(qiáng)的分子取向無(wú)序-晶格振動(dòng)耦合。施加壓力導(dǎo)致光學(xué)聲子硬化，增強(qiáng)了NH4+與I-間的氫鍵相互作用，從而抑制了NH4+分子取向無(wú)序運(yùn)動(dòng)，最終誘發(fā)結(jié)構(gòu)相變產(chǎn)生壓卡效應(yīng)。這一分子取向無(wú)序-晶格振動(dòng)的強(qiáng)烈耦合是NH4I具有極高壓力敏感性的本質(zhì)原因。
該系列工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFA040600）、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃“從0到1”項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC002）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃項(xiàng)目（174321KYSB20200008）、中國(guó)科學(xué)院建制化研究項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11804346）、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目（XLYC1807122）、沈陽(yáng)市中青年科技人才支持計(jì)劃（RC210432）和中國(guó)博士后基金項(xiàng)目（2021M693229）的資助，也得到了ANSTO（P8268、P8318）的大科學(xué)裝置機(jī)時(shí)支持。
全文鏈接1：DOI:10.1002/adfm.202112622
全文鏈接2：DOI: 10.1038/s41467-022-29997-9
圖1. 碳硼烷體系與主要有機(jī)塑晶壓卡材料的性能對(duì)比雷達(dá)圖
圖2. 各類壓卡材料的性能對(duì)比，包括相變溫度的壓力敏感性、飽和壓力和單位壓力導(dǎo)致的熵變
