某些固体材料在施加或释放压力时会吸收或释放热量，从而实现冷却或加热。这类“压热”效应被视为替代传统蒸气压缩制冷的潜在路径，有望减少对制冷剂气体的依赖。不过，压热材料走向工程应用仍面临关键难题：不少材料在加热与冷却过程中表现不对称，热滞后明显，导致循环过程中的响应难以稳定复现。

《Communications Materials》近日发表的一项研究聚焦一种以强压热响应著称的塑料晶体体系，研究团队提出并验证了一个问题：能否在不削弱冷却能力的前提下，让材料的压热响应更可逆、更可靠。研究显示，通过极小幅度的成分调整即可显著改善可逆性，并利用中子散射实验解释了其微观原因。

传统制冷替代方案的材料门槛

制冷广泛用于食品与医疗储存、建筑与交通环境控制以及工业流程。当前主流方案仍以使用制冷剂气体的蒸气压缩循环为主，相关气体对全球变暖的影响及监管压力推动了替代技术的探索。

研究指出，面向实际装置的压热材料通常需要同时满足两项要求：其一，加热与冷却过程尽可能一致、热滞后尽量小，以支持可逆循环；其二，在与工程操作相关的压力范围内保持高效率，通常约为1千巴。在不牺牲冷却能力的情况下兼顾上述指标，仍是材料开发的难点。

三元组分微调带来可逆性跃升

研究团队来自格拉斯哥大学、剑桥大学、加泰罗尼亚理工大学、钻石光源以及劳厄-朗之万研究所（ILL）。他们选取新戊二醇（NPG）作为研究对象。NPG在有序—无序相变附近具有较大的热响应，但强热滞后限制了其可逆利用。

为将压热效应最强的转变温度T0调至更接近室温，团队首先将NPG与戊三醇（PG）混合制备二元固溶体。在NPG:PG为60:40时形成单相固溶体，T0约为302 K（约29°C），较纯NPG降低约10度，较纯PG降低约50度。

研究的关键进展出现在引入第三组分之后。团队在二元体系基础上仅加入2摩尔%的四羟甲基甲烷（PE），得到NPG:PG:PE为60:38:2的三元材料。结果显示，在约1千巴压力下，该材料实现13.4 J/(kg·K)的可逆熵变，约为纯NPG在相近条件下的7倍；同时，可逆响应覆盖18 K温度范围，使可用操作窗口扩大约20倍。两项提升叠加后，可逆制冷能力提高超过70倍。

研究强调，这一改进并非通过削弱相变过程中的热量交换实现。相反，微量PE改变了分子局域环境，降低了压缩与卸压过程中的热滞后，使材料在循环中的热响应更一致。

中子散射揭示热滞后降低的分子机制

为解释“微量组分—显著可逆性提升”的原因，团队将研究重点从宏观热力学与结构表征推进到分子动力学层面，并采用准弹性中子散射（QENS）进行探测。QENS可通过测量微小能量转移，捕捉皮秒至纳秒尺度的分子运动，适用于富氢分子固体中旋转与平移行为的研究。

相关QENS测量在ILL的IN16B光谱仪上完成，研究采用非弹性固定窗口扫描模式，在加热与冷却过程中选取温度点跟踪分子动力学变化，并将其与量热实验中的热滞后现象及衍射获得的结构信息进行对照。

中子结果显示，加入少量PE后，三元NPG–PG–PE材料的分子重新定向随温度变化更为渐进，且跨越的温度范围较纯NPG更宽；而纯NPG的分子运动启动更为突然，加热与冷却路径差异更明显。研究团队据此认为，纯NPG及NPG:PG体系中存在较大的氢键结构以稳定有序相，微量PE的引入使这些结构更易被破坏，从而减小相变双向过程的差异并降低热滞后。

指向固态冷却的分子设计路径

研究认为，该结果表明通过细微的分子层面工程手段，有望同时提升压热材料的冷却强度与循环可逆性。研究还显示，将成分调控与分子动力学表征结合，可为固态冷却材料的可靠性提升提供可验证的微观依据，并为后续将压热效应转化为可用技术提供参考。