對相變材料性質(zhì)的精準(zhǔn)控制，將會(huì)打開相變材料廣泛應(yīng)用的大門。

相變材料(PCM - Phase Change Material)是指隨溫度變化而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。其中物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程稱為相變過程，這時(shí)相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。

背景|熱性能

吸熱和散熱是相變材料最基礎(chǔ)也是最重要的性質(zhì)，故而利用這一特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)是相變材料目前最為廣泛的應(yīng)用。

在航空航天領(lǐng)域，對宇航員和航天器的保護(hù)多采用相變材料，所以上世紀(jì)該材料是俄美等航空大國的壟斷“財(cái)富”；后來，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在將相變材料應(yīng)用到建筑中，可以達(dá)到節(jié)能60%-99%；在軍事上，由于相變材料可以吸收大量的熱，將其應(yīng)用到裝甲等的熱防護(hù)上，可以大大提高軍事裝備的抗打擊能力。

所以，在熱電池的儲(chǔ)能方面，一大熱門的研究方向就是采用相變材料，即當(dāng)吸收熱量時(shí)，材料從固態(tài)到液態(tài)發(fā)生相變來儲(chǔ)存能量，當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，材料會(huì)變回到固體，并將儲(chǔ)存的熱量釋放。但是，目前所有的相變材料都要先進(jìn)行絕緣處理，且其在散熱時(shí)的相變過程難以控制。

研究|分子開關(guān)

對此，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型化學(xué)復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)對熱電池散熱過程的精準(zhǔn)控制。

為了實(shí)現(xiàn)控制功能，研究團(tuán)隊(duì)采用了“分子開關(guān)”，該開關(guān)可以根據(jù)光線改變形狀。當(dāng)集成到PCM中時(shí)，我們就可以用光線來調(diào)節(jié)材料的溫度，使得相變的溫度點(diǎn)保持低于原材料的熔點(diǎn)。

那究竟怎樣實(shí)現(xiàn)這一“分子開關(guān)”功能呢？

對此，Jeffrey Grossman教授指出：“訣竅在于找到一種方法，將分子與傳統(tǒng)的相變材料結(jié)合在一起，讓其按需釋放儲(chǔ)存的能量。”

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，研究人員將脂肪酸與對光脈沖作出響應(yīng)的有機(jī)化合物相結(jié)合，以此充當(dāng)“分子開關(guān)”，其中，光敏元素可以改變另一元素存儲(chǔ)和釋放熱量的性能。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員對陽光下的條件進(jìn)行模擬。當(dāng)他們給一定的熱時(shí)，混合材料會(huì)在加熱時(shí)融化，隨后研究人員對其進(jìn)行紫外線照射，發(fā)現(xiàn)即便溫度很低材料依然保持液態(tài)，只有當(dāng)研究人員給一個(gè)光脈沖觸發(fā)它，材料才會(huì)重新凝固并返回到收集能量的初態(tài)。

對于這一過程，研究人員Grace Han解釋道：“我們技術(shù)上做的是一個(gè)新的能量屏障，因此儲(chǔ)存的能量不會(huì)立即釋放，在化學(xué)存儲(chǔ)的形式下，能量可以存儲(chǔ)很長時(shí)間，直到光學(xué)觸發(fā)器被觸發(fā)，它才會(huì)釋放能量。”

值得指出的是，本次實(shí)驗(yàn)過程中，儲(chǔ)存的熱量可以維持至少10個(gè)小時(shí)，而同等大小的傳統(tǒng)裝置下，能量只能維持幾分鐘的存儲(chǔ)時(shí)間。

關(guān)于能量密度這一重要參數(shù)，Han表示：“即使我們使用傳統(tǒng)的相變材料，能量密度也是相當(dāng)重要的，現(xiàn)在這種材料每克可以儲(chǔ)存大約200焦耳的能量，有機(jī)相變材料中這一性能是非常好的了。而且人們已經(jīng)表示有興趣在印度農(nóng)村地區(qū)使用這種材料進(jìn)行烹飪了，這一裝置也可以用于農(nóng)作物的烘干或供暖。”

應(yīng)用|儲(chǔ)能和通信

關(guān)于這一技術(shù)未來的應(yīng)用前景，Han說道：“它可以利用任何熱源，而不僅僅是太陽能。生活中，從工業(yè)過程、太陽能加熱到車輛散發(fā)的熱量，廢熱是普遍存在的，而且通常都會(huì)被浪費(fèi)，利用這一方法就可以幫助回收各種廢熱。”

除了常見的儲(chǔ)能這一應(yīng)用場景，在計(jì)算機(jī)主存的制作上，有研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)采用相變材料制作的新型內(nèi)存具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，但因該種材料性質(zhì)難以控制，故而其發(fā)展一直受限?，F(xiàn)在，我國中科院的研究團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)在此方面取得了較大突破。伴隨著對相變材料性能的精準(zhǔn)控制，相變材料將開始應(yīng)用到全新領(lǐng)域。

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