中學化學課上的這個經典實驗，我們想用它搞個大事情

從一個中學化學實驗說起

不知大家是否還記得，初中化學老師做過這樣一個經典實驗：兩個燒杯中加入等量的水，再插入溫度計，然后分別倒入氫氧化鈉和硝酸銨固體。用玻璃棒攪拌后會發現，氫氧化鈉所在的燒杯內水溫迅速上升，而放入硝酸銨的燒杯水溫明顯下降。如果有同學比較好奇，去用手背碰一碰燒杯外壁，還會發現放氫氧化鈉的燒杯很燙手，而有硝酸銨的燒杯則手感冰涼。

NaOH、NH4NO3溶解熱實驗（圖片來源：AI生成）

這就是經典的物質溶解熱實驗。實驗原理在本質上是一場能量的博弈：溶質粒子要從有序的晶體結構中分離出來，就需要打破晶體內部粒子之間的強大吸引力（“拆家”），因此吸收熱量；而分離出來的溶質粒子會被水分子團團圍住，形成穩定的水合離子（“安家”），從而釋放熱量。如果“拆家”的吸熱大于“安家”的放熱，那么溶解過程就是吸熱；反之則是整體放熱。

這一原理應用于很多制熱或制冷場景中。比如用于冰敷的醫用冰袋，通常預先分隔存放固態制冷劑（如硝酸銨、氯化銨等鹽類）和水。使用時用力擠壓，內部的水袋破裂，水流出與固態制冷劑混合，溶解會吸收大量能量，導致整個袋子的溫度在短時間內急劇下降，從而產生冰冷的觸感。這種冰袋無需冷藏，“一捏即冰”，非常方便。

醫用冰袋（圖片來源：網絡）

為什么我們不用溶解吸熱來制冷？

那么，既然溶解制冷的原理如此簡單，制冷的方式高效且環保，為什么我們家里的冰箱和空調并不采用這種方法呢？

原因其實很好理解：溶解吸熱本質上是一種消耗性的單向過程，難以實現高效、可持續的循環制冷。對于冰箱或空調這類需要持續、穩定運行的設備，如果依靠溶解吸熱來降溫，就意味著需要源源不斷地消耗大量溶質（如硝酸銨）。這不僅不經濟，儲存空間也完全不允許。

如果想重復利用溶質，讓它溶解后“重置”以恢復制冷能力，通常需要加熱蒸發水分后重新結晶。這個過程所消耗的能量，遠高于其溶解時所吸收的冷量，從整體能效上看是非常不劃算的。

如今，傳統的制冷設備，無論是家用空調還是工業冷庫，大多采用蒸汽壓縮制冷的技術。它們通過特定的制冷劑（如氟利昂及其替代品）在氣態和液態之間循環相變來帶走熱量。制冷劑在室內蒸發吸熱，再到室外壓縮液化放熱，不斷循環往復，從而實現降溫。這個過程需要壓縮機持續做功，就像搬家工人要不停地爬樓梯，既費力又產生額外的熱量。

冰箱的基本工作原理示意圖（圖片來源：Fantastic Fridges）

然而，全球制冷業正面臨著巨大的難題：雖然我們已經淘汰了破壞臭氧層的氟利昂，但目前廣泛使用的替代品，如氫氟碳化物（HFCs），仍然具有極高的全球變暖潛能值（1千克氣體在特定時間段內產生的累積輻射強度與1千克二氧化碳的比值）。每一次制冷劑的泄漏，都在悄悄地加速全球氣候變暖。制冷設備更是名副其實的電力消耗大戶，用電量已占全球總量的十分之一以上。那么，有沒有可能從溶解吸熱中獲取靈感，找到一種高效、環保、零排放的新一代制冷技術，來取代或補充現有的蒸汽壓縮系統呢？

科學家在另一種物理現象中找到了線索：某些固體材料在外界條件（如磁場、電場或壓力）改變時，內部結構就會發生相變，伴隨著吸熱或放熱，這種現象叫做“卡效應”（Caloric Effect），這些材料統稱為固態相變材料。不同的外界條件，對應不同的卡效應：

• 磁卡效應：施加或撤去外加磁場，使磁性材料中磁矩有序化程度發生變化，產生熱效應。

• 電卡效應：改變外界電場，介電材料的偶極子取向排列發生變化，產生熱效應。

• 彈卡效應：施加或卸載單軸應力，誘導材料晶體結構發生變化，產生熱效應。

• 壓卡效應：施加或卸載等靜壓，改變材料的晶體結構及構型取向等結構自由度，產生熱效應。

不同卡效應的制冷循環示意圖（圖片來源：參考文獻[1]）

其中，壓卡效應是材料科學家關注的重點之一：對某些材料施加壓力時，材料內部的原子排列變得更加整齊有序，釋放出熱量；反過來，卸除壓力時，原子排列又變得松散混亂，需要從外界吸收熱量。壓力的變化相對容易操作，而且壓卡效應可選擇的材料體系更多。那么，是否可能通過壓卡效應來實現制冷循環呢？

然而，當前的壓卡效應制冷在實際應用中仍有一定局限性：對于固體材料來說，無論是加壓后固體自身產生的熱量，還是卸壓后固體從外界吸收熱量，都必須用水或空氣等流體介質來源源不斷地搬運，才能實現為房間降溫。顯而易見，這種接力式的傳熱效率很低。科學家們陷入了兩難：環保的固態材料不會流動，會流動的氣體又不夠環保。能不能找到一種“會流動的固態制冷材料”呢？

答案就藏在開頭提到的化學實驗中。

兩種現象的奇妙結合：極壓卡效應

中國科學院金屬研究所的研究團隊提出了一個大膽的假設：如果一種物質在溶解時吸熱、析出時放熱，而我們能通過壓力來控制它的溶解和析出，那是不是就可以控制熱量的吸收和釋放？

傳統上，溶解吸熱這種方法難以主動控制溶質的分離，而壓卡效應的熱量又難以高效搬運。將溶解熱效應和壓卡效應結合，通過壓力控制溶質的溶解和析出，實現吸熱和放熱，同時溶液具有流動性不需要額外的介質來傳輸熱量，不就能解決兩種方法的難題？

研究團隊選取了硫氰酸銨（NH4SCN）作為溶質，水作為溶劑。實驗發現，當對飽和的硫氰酸銨溶液進行絕熱加壓時，溶液會變得過飽和，原本剛好能溶解的硫氰酸銨無法全部溶解，多余的部分會從溶液中析出，重新形成晶體，這個過程會釋放熱量。而反過來，當卸除溶液所受壓力時，析出的晶體又會重新溶解吸熱，溶液溫度下降，實現制冷。

這就是研究團隊首次提出的“極壓卡效應”——通過壓力調控可溶性物質在溶液中的溶解和析出，產生巨大的熱效應。這是一種全新的壓卡效應，它利用的不是固體材料內部晶體結構的改變，而是物質在溶解和析出過程中晶格的破壞與重建。

三大優勢：制冷技術的“三合一革命”

研究團隊提出的極壓卡制冷體系具備三大優勢：

溶解極壓卡制冷循環示意圖（圖片來源：參考文獻[2]）

優勢一：制冷能力強——比固態材料高一個數量級

固態相變材料用于制冷的潛熱通常在幾焦耳每克的量級，而硫氰酸銨水溶液體系的制冷量能達到60焦耳每克，足足高出一個數量級。

這種巨大差距來自于溶解過程獨特的物理本質。當晶體溶解時，不僅粒子內部的有序度（振動、旋轉等狀態）發生了變化，更重要的是，原本被固定在晶格中動彈不得的粒子，突然獲得了在整個溶液中自由穿梭的能力。這種從“零平動自由度”到“三維自由移動”的巨大轉變，伴隨著熵的劇烈增加，需要吸收大量的熱量，因此制冷效果格外顯著。

優勢二：材料能流動——換熱效率提升數倍

固態相變材料最大的痛點是無法流動，而硫氰酸銨水溶液體系則完全不同。溶液本身就是流體，產生熱效應后可以在管道中流動，從而直接與散熱端或制冷端接觸，實現高效換熱。這就避免了固態材料必須借助水或空氣等中間介質進行接力傳熱的不足，效率自然大幅提升。

在熱力學模型模擬計算中，這種直接換熱的優勢非常明顯。由于溶液體系溶解過程引發的熵變巨大，其制冷性能可以采用以高效聞名的類卡諾循環進行模擬計算。當散熱端與制冷端的溫差（溫跨）設定為8K時，其在熱力學第二定律框架下的效率可達77%，遠高于性能最優的固態相變材料。

優勢三：綠色環保——真正的零排放制冷

環保也是這套體系的亮點之一。整個體系只用到兩種物質：硫氰酸銨和水。

硫氰酸銨是一種常見的化學品，可以大規模生產，成本低廉，廣泛應用于工業生產和實驗研究。雖然它有一定刺激性，但不屬于強毒性物質，在密閉系統中使用是安全的。更重要的是，它并不會像傳統制冷劑那樣加劇全球變暖。整個制冷循環是完全密閉的，不會產生任何排放，實現了真正意義上的零污染、零排放。

此外，溶液在析出和溶解過程中復雜的熱力學、動力學行為，為進一步的優化研究提供了廣闊的空間，使得系統具有高度的靈活性和可調控性。

這項技術能改變什么？

看到這里，你可能會問：這么好的技術，什么時候能用上？

坦率地說，從實驗室的原理驗證到真正的商業化應用，還有一段不短的路要走。但這項研究的意義，遠遠超出了一個具體產品。

從技術成熟度來看，這項研究目前還處于原理驗證和性能優化階段，要將它轉化為實用產品，還需要解決幾個工程問題：

驅動壓力的降低：實際應用時體系的驅動壓力很難達到幾百兆帕，如何在維持制冷性能不受影響的情況下減小驅動壓力，是一個極具挑戰、亟需解決的問題。

系統的可靠性和壽命：制冷設備需要長年累月地連續運轉，溶液在反復的加壓卸壓、析出溶解過程中，會不會逐漸性能衰減？密封件能否承受長期的高壓循環？這些都需要大量的耐久性測試。

成本控制：雖然硫氰酸銨本身相對廉價，但高壓系統的制造成本較高。要讓這種新型制冷機的價格降到普通消費者能夠接受的水平，需要規模化生產和工藝優化。

未來，這套極壓卡制冷體系最有可能率先在這三個領域展開應用：

工業冷卻系統：在化工、電子等行業，許多生產過程需要精確的溫度控制，而且對設備成本的敏感度相對較低。極壓卡制冷體系的高效率和環保特性，在這些場景中具有明顯優勢。

數據中心散熱：隨著云計算和人工智能的發展，數據中心的散熱需求越來越大。這些設施通常有專業的工程團隊維護，能夠處理相對復雜的制冷系統，而且電力成本是他們的主要支出，高效制冷能帶來巨大的經濟效益。

特種制冷設備：在醫療、科研等領域，有些場景需要無污染、高可靠的制冷，即使成本較高也能接受。極壓卡制冷體系在這些細分市場有很好的應用前景。

至于我們最關心的家用空調和冰箱，可能需要等技術進一步成熟，成本進一步降低后才會出現。但歷史告訴我們，許多革命性技術都是這樣一步步走進千家萬戶的——從昂貴的軍用、工業應用，到逐漸普及的消費產品。

也許在不遠的將來，當你打開空調享受清涼時,流動在管道里的不再是破壞臭氧層的氟利昂，而是一種環保的鹽溶液。它在壓力的驅動下，周而復始地析出與溶解，靜靜地為你的房間帶來舒適，為這個星球減少一份負擔。

當鹽遇見水與壓力，一場制冷革命，可能才剛剛開始。

圖片來源：veer圖庫

參考文獻：

[1]https://doi.org/10.1002/admi.201900291

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-10013-1

作者：劉懿芳，張琨，李昺
單位：中國科學院金屬研究所

來源：科學大院

編輯：子木

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