【Nature】：新一代环保聚合物制冷器：高能效与自振荡特性

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研究背景
在全球能源消耗中，空间冷却占据了相当大的比例。传统制冷技术，尤其是基于压缩的制冷系统，虽然广泛应用于日常生活和工业生产中，但其能源效率相对较低，且使用的制冷剂往往具有较高的全球变暖潜能（GWP）。这不仅消耗大量电力，还对环境造成了重大负担。
当前问题
目前市场上的制冷设备大多依赖于外部机械设备来驱动制冷循环，如活塞、泵等，这不仅增加了系统的能耗，还限制了设备的迷你化和集成化发展。同时，这些制冷系统的制冷功率密度和能效比（COP）通常较低，难以满足日益增长的高效节能需求。此外，制冷剂的环境影响和制冷系统的操作复杂性，进一步限制了其应用范围和效率。
新的思路

在本研究中，我们提出了一种全新的自振荡聚合物制冷器，该制冷器利用聚合物铁电材料的电热效应和电致伸缩效应，实现了无外部驱动的自循环制冷。这种设备不仅能有效降低能耗，还能通过简化系统结构，实现设备的轻量化和迷你化。最关键的是，这种新型制冷器展现出极高的制冷功率密度（6.5 W g−1）和优异的能效比（COP超过58），为实现高效、环保、低碳的制冷提供了可能。此外，这种设备还可以灵活调节制冷与加热模式，更好地适应不同的应用需求，展现出广阔的应用前景。
研究内容
材料和设备设计:本研究开发了一种基于聚合物铁电材料的薄膜制冷设备。这种设备利用了聚合物铁电材料的电热效应（ECE）和电致伸缩效应，实现了无需外部动力的自循环制冷。该设备采用的是改性的聚(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) (P(VDF-TrFE-CFE)) 聚合物，通过优化分子结构，实现了高性能的ECE和电致伸缩性能。

制冷循环与能效：设备在单次交流电刺激下，可以通过其工作体自身进行热循环和机械循环，从而无需外部驱动元件。在实验中，该原型设备展示了6.5 W g^-1 的直接测量制冷功率密度和高达58的峰值能效比（COP），这在开放环境下，对应于4 K温度跨度的24 COP。

温度范围和应用：设备在不同的操作模式下能够进行冷却和加热，展示了灵活的热管理能力。该技术在微型化和集成化方面具有显著优势，非常适合需要小型化或定制化热管理解决方案的应用，如可穿戴技术和微电子设备。

性能测试与验证：研究中还对材料的力学和热性能进行了详细测试，验证了其长期稳定性和可靠性。实验结果表明，这种新型制冷器在长时间运行后，其制冷效果和能效表现仍然稳定。

总结展望
总结：本研究成功开发了一种基于聚合物铁电材料的自振荡聚合物制冷器，该设备充分利用了电热效应和电致伸缩效应，实现了高效的自循环制冷功能。通过对材料和设备结构的创新设计，这种新型制冷器在无需外部动力驱动的情况下，展示了出色的制冷功率密度（6.5 W g^-1）和能效比（COP高达58）。此外，该设备在4 K温度跨度下，依然能维持24的高COP，显示出其在实际应用中的巨大潜力。这些成果不仅提高了制冷设备的能效和环保特性，也为制冷技术的未来发展方向提供了新的思路。

展望：
未来，这种自振荡聚合物制冷技术有望在多个领域得到应用，特别是在需要小型化、高效能和环境友好型制冷解决方案的领域，如可穿戴设备、微电子制冷和个人化热管理系统。随着材料科学和制冷技术的进一步发展，我们期待能够对这种聚合物铁电材料进行更多功能的集成和优化，如增强其机械稳定性和热效率，扩大其温度工作范围，以及探索其在更广泛的商业和工业应用中的可行性。此外，针对当前技术的局限性，如长期稳定性和在更广温差下的性能表现，未来的研究应该聚焦于材料耐久性的提升和系统集成的优化。通过不断的技术创新和系统设计改进，自振荡聚合物制冷器有望实现更广泛的商业化应用，从而推动全球制冷行业向着更绿色、更高效的方向发展。
文章信息
Self-oscillating polymeric refrigerator with

high energy efficiency

Donglin Han, Yingjing Zhang, Cenling Huang, Shanyu Zheng, Dongyuan Wu, Qiang Li, Feihong Du, Hongxiao Duan, Weilin Chen

, Junye Shi, Jiangping Chen, Gang Liu, Xin Chen & Xiaoshi Qian

doi.org/10.1038/s41586-024-07375-3

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