20秒降溫30℃，中科院開發(fā)制冷黑科技，AI算力的新型散熱方案來了

從家用空調(diào)、冰箱的日常剛需，到工業(yè)生產(chǎn)中的冷卻工藝、精密儀器的溫度控制，再到航空航天的特種制冷需求，制冷技術(shù)支撐著全球 25%-30% 的電力消耗。然而，在這個(gè)看似成熟的領(lǐng)域，科研人員卻長(zhǎng)期深陷低碳、大冷量、高換熱的“不可能三角”。在熱力學(xué)第二定律劃下的紅線面前，人類從未停止過對(duì)熱力學(xué)極限的試探與突圍。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所李昺、北京高壓研究中心李闊、西安交通大學(xué)錢蘇昕和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所童鵬研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表成果。

他們發(fā)現(xiàn)了基于硫氰酸銨鹽（NH?SCN）水溶液的“溶解壓卡效應(yīng)”，即硫氰酸銨鹽在壓力調(diào)控下，可通過溶解和析出過程實(shí)現(xiàn)高效制冷：加壓時(shí)鹽析出放熱，卸壓后鹽溶解吸熱，能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生顯著溫降，室溫下 20 秒內(nèi)降溫近 30℃，且兼具低碳、高傳熱效率的優(yōu)勢(shì)，為數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域的冷卻技術(shù)提供了新的解決方案。

作為該領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，李昺長(zhǎng)期從事新型制冷材料研究。他堅(jiān)持以大科學(xué)裝置表征技術(shù)為特色手段，以揭示深層次物理內(nèi)涵為主攻方向，貫通“原理-材料-器件-系統(tǒng)”全創(chuàng)新鏈。此前，他曾發(fā)現(xiàn)并命名了“龐壓卡效應(yīng)”，設(shè)計(jì)了首個(gè)壓卡制冷原理樣機(jī)，并發(fā)現(xiàn)了熵變大幅優(yōu)于原型材料 Gd?Ga?O?? 的鐵磁性極低溫磁制冷新體系。

而這一次，他將目光投向了跨越固液邊界的溶液體系。

制冷范式的突圍

人類現(xiàn)代制冷文明的基石，長(zhǎng)期建立在蒸汽壓縮技術(shù)之上。這一范式已統(tǒng)治工業(yè)界逾百年，其核心邏輯是通過壓縮機(jī)對(duì)氣體制冷劑進(jìn)行周期性的“擠壓”與“膨脹”，利用氣液相變過程中的潛熱來搬運(yùn)熱量。

這種方式雖然通過流體的對(duì)流實(shí)現(xiàn)了極高的換熱效率，但其弊端在“雙碳”時(shí)代愈發(fā)凸顯。一方面，廣泛使用的氟碳類制冷劑具有極高的全球變暖潛勢(shì)，對(duì)臭氧層和氣候平衡構(gòu)成持續(xù)威脅；另一方面，經(jīng)過百年的工程壓榨，氣體壓縮的能效已逼近物理極限，再難有質(zhì)的突破。

圖 | 不同制冷技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)（來源：上述論文）

為了尋找更綠色的替代方案，科研界曾將目光投向固態(tài)制冷技術(shù)，如磁卡制冷、電卡制冷、壓卡制冷等。這些技術(shù)利用磁場(chǎng)、電場(chǎng)或壓力驅(qū)動(dòng)固體材料發(fā)生相變，從而產(chǎn)生制冷效應(yīng)。固態(tài)制冷擁有巨大的理論能量轉(zhuǎn)換潛力且環(huán)境友好，一度被視為下一代制冷技術(shù)的希望。

然而，隨著研究的深入，固體材料撞上了一堵物理意義上的“南墻”——傳熱速率的天然瓶頸。

“固體制冷工質(zhì)材料的換熱高度依賴于接觸面的熱傳導(dǎo)，這種方式極其低效。”李昺解釋道，“在微觀尺度上，固體的聲子傳熱效率遠(yuǎn)低于液體的對(duì)流換熱。這導(dǎo)致冷量往往被困在材料核心，無法及時(shí)溢出。”

相比之下，冰箱管路中的液體通過流動(dòng)可以高效傳遞熱量，而固體材料僅能通過靜態(tài)接觸傳遞。這就形成了一個(gè)制冷界的悖論：想要高冷量密度的材料（固體），就得犧牲換熱效率；想要高效換熱（流體），就得面對(duì)傳統(tǒng)工質(zhì)的環(huán)保與能效瓶頸。要在基于氣液相變、固液相變或固固相變的傳統(tǒng)框架內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳、高效換熱與高能量效率，形成了一個(gè)難以逾越的“不可能三角”。

基于此，李昺團(tuán)隊(duì)開始探索一種能夠同時(shí)兼顧傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的高效換熱與固態(tài)制冷技術(shù)的無排放及高效率的全新方案。

打破這一僵局的靈感，源于一次在實(shí)驗(yàn)室里的意外捕捉。

“其實(shí)是一個(gè)非常偶然的機(jī)會(huì)，”李昺回憶起那個(gè)時(shí)刻，“當(dāng)時(shí)我們?cè)谘芯苛蚯杷徜@固體的壓卡效應(yīng)，偶然間意識(shí)到該材料的溶解可以吸收大量的熱量。”

“這為我們打開了新的思路，既然壓力是驅(qū)動(dòng)制冷過程的主要手段，而溶解過程同樣可以被壓力調(diào)控，那么就有可能通過壓力驅(qū)動(dòng)溶解與析出的可逆循環(huán)來實(shí)現(xiàn)制冷。”他補(bǔ)充道。

這一思路也最終引導(dǎo)團(tuán)隊(duì)走向了溶液體系的研究。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出了“溶解壓卡效應(yīng)”。

在這種新機(jī)制中，壓力變成了操控溶解度的“開關(guān)”。施加壓力，溶質(zhì)像被擠干的海綿一樣析出結(jié)晶，釋放熱量；卸壓時(shí)，晶體迅速重新溶解入水，通過破壞晶格和氫鍵網(wǎng)絡(luò)激發(fā)出巨大的吸熱潛能。

最精妙之處在于，這種制冷工質(zhì)本身就是液態(tài)的。它直接避免了固態(tài)制冷中繁瑣的“二次換熱”過程——在固態(tài)制冷中，你需要用水或其他流體去“搬運(yùn)”固體產(chǎn)生的冷量，這中間產(chǎn)生的界面熱阻是效率的“殺手”。而在溶解壓卡體系中，制冷工質(zhì)與換熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了物理意義上的合二為一。冷量在產(chǎn)生的瞬間，就存在于流動(dòng)的液體中，可以通過循環(huán)泵直接輸送至終端。

更具優(yōu)勢(shì)的是，溶解壓卡技術(shù)以水為溶劑，水在室溫下的比熱容是所有常見物質(zhì)中最大的。這意味著，單位體積的水溶液所能攜帶（或帶走）的熱量，比傳統(tǒng)氣體壓縮制冷劑要高得多。因此，在理論上，它能以更少的工質(zhì)流量實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的熱傳輸能力，為系統(tǒng)的高效率和緊湊化設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)。

這種“制冷工質(zhì)即換熱介質(zhì)”的特性，不僅讓系統(tǒng)在室溫下實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 26.8 K 的巨大溫降，也支撐起該體系高達(dá) 77% 的熱力學(xué)第二定律效率，為高能耗算力中心等尖端散熱場(chǎng)景開辟了全新的物理疆域。

圖 | 制冷性能評(píng)估（來源：上述論文）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在常壓室溫環(huán)境下，當(dāng)卸壓觸發(fā)溶質(zhì)溶解時(shí)，溶液的原位溫降高達(dá) 26.8K（即 26.8℃）。這一數(shù)字不僅打破了固體壓卡材料的換熱溫降通常小于 20K 的紀(jì)錄，更是目前全球已報(bào)道的新型制冷材料中的最高值。

通過設(shè)計(jì)精妙的類卡諾循環(huán)，單次循環(huán)實(shí)現(xiàn) 67 J/g 的冷量密度，即每克溶液可吸收 67 焦耳的熱量，冷量輸出能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)固態(tài)壓卡材料，該體系測(cè)得的熱力學(xué)第二定律效率高達(dá) 77%，遠(yuǎn)高于蒸汽壓縮制冷（約 30%-50%）和現(xiàn)有固態(tài)壓卡制冷（約 50%-60%）。

（來源：上述論文）

熱力學(xué)第二定律效率是衡量實(shí)際制冷循環(huán)接近理想“卡諾循環(huán)”程度的指標(biāo)。100% 是物理定律的天花板，代表無任何能量浪費(fèi)。目前，大多數(shù)傳統(tǒng)冰箱和空調(diào)的第二定律效率在 30%-50% 左右。

光譜學(xué)與原位高壓測(cè)試顯示，這種溶解與析出的響應(yīng)幾乎是在壓力變化的瞬間完成的，無明顯滯后。這意味著系統(tǒng)可以在極短的周期內(nèi)完成溫降與升溫的循環(huán)，滿足連續(xù)制冷的工業(yè)需求。此外，作為一種水溶液，其使用的無機(jī)鹽成本低廉、穩(wěn)定性極佳，具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

瞄準(zhǔn) AI 算力的制冷需求

從 2019 年開始研究固體，到 2021 年第一次觀測(cè)到溶液降溫，再到 2026 年登上巔峰，這是一場(chǎng)跨越數(shù)年的科研接力。“這中間換了好幾撥人，有學(xué)生畢業(yè)去國外做博士后了，師妹和職工再接手。”李昺感嘆道，科研從來不是孤膽英雄的沖鋒，而是漫長(zhǎng)的積累與傳承。

盡管成果卓著，但李昺對(duì)產(chǎn)業(yè)化的路徑有著極其冷靜的判斷。

傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷技術(shù)自 1927 年商業(yè)化以來，已經(jīng)走過了整整一百年。在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的極致打磨下，傳統(tǒng)家電的工程實(shí)現(xiàn)早已逼近理論極限，利潤(rùn)空間更是被壓縮到了極致。“傳統(tǒng)的制冷大廠生產(chǎn)一臺(tái)冰箱可能也就掙 10 塊錢，”李昺坦言，“對(duì)于一個(gè)全新的、早期成本必然更高的技術(shù)來說，去成熟市場(chǎng)‘拼量’沒有優(yōu)勢(shì)。新技術(shù)落地，必須尋找那些‘非它不可’的高價(jià)值場(chǎng)景。”

他將目光鎖定了當(dāng)前最火熱也最焦慮的領(lǐng)域——AI 算力中心。

“人類的盡頭是 AI，AI 的盡頭是電力，電力的盡頭是散熱。”這句段子在李昺看來卻是嚴(yán)肅的行業(yè)預(yù)警。隨著英偉達(dá)等巨頭將芯片性能推向極致，預(yù)計(jì)到 2027 年左右，單個(gè) GPU 的發(fā)熱功率將突破 2 千瓦，在手機(jī)大小的空間里集中如此高的發(fā)熱量，其發(fā)熱密度已如同一個(gè)燒紅的電爐。現(xiàn)有的單相/兩相液冷或浸沒冷卻技術(shù)已逐漸顯得力不從心。

溶解壓卡技術(shù)則可以通過壓力精確控制制冷功率，實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)式”冷卻。在硫氰酸銨溶液體系中，隨著環(huán)境溫度的升高，溶液的溶解度變大。這意味著在同樣壓力驅(qū)動(dòng)下，高溫環(huán)境能激發(fā)出更劇烈的溶解/析出反應(yīng)，從而釋放出比低溫環(huán)境更大的溫降潛力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，環(huán)境溫度越高，該技術(shù)的溫降幅度反而越大。在 60 至 70℃ 的高溫環(huán)境下，它能產(chǎn)生高達(dá) 50℃ 的溫降。

（來源：Pixabay）

面對(duì) AI 服務(wù)器散熱這一爆發(fā)性需求，團(tuán)隊(duì)并未止步于論文中的硫氰酸銨體系。

“硫氰酸銨已經(jīng)表現(xiàn)得很好了，但它更像是一個(gè)開啟新世界的原型。”李昺透露，實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)開發(fā)并掌握了一系列性能更優(yōu)、針對(duì)性更強(qiáng)的新材料配方庫。“在深入研究后，我們意識(shí)到溶液體系實(shí)際上是一個(gè)極其廣闊的領(lǐng)域。與固體材料相比，溶液的組合方式更為多樣，簡(jiǎn)單地更換陽離子或陰離子，就可能產(chǎn)生全新的體系。因此，其潛在的‘材料庫’可能比固體更為豐富。”

至于效率的進(jìn)一步提升，李昺認(rèn)為關(guān)鍵在于溶解與析出過程的反對(duì)稱性。“如果能通過篩選新體系，降低溶解與析出過程中的動(dòng)力學(xué)滯后，我們的效率還有向上突破的空間。”

盡管如此，從實(shí)驗(yàn)室走向工程化仍是一場(chǎng)馬拉松。“我們需要進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)壓力，解決高壓環(huán)境下的設(shè)備小型化，需要在大體積循環(huán)中維持溶解的快速響應(yīng)。”李昺相信，AI 產(chǎn)業(yè)對(duì)散熱的旺盛需求終將倒逼技術(shù)轉(zhuǎn)化。

1.Zhang, K., Liu, Y., Gao, Y. et al. Extreme barocaloric effect at dissolution. Nature 649, 1180–1185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10013-1

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