從家用空調、冰箱的日常剛需，到工業生產中的冷卻工藝、精密儀器的溫度控制，再到航空航天的特種製冷需求，製冷技術支撐着全球 25%-30% 的電力消耗。然而，在這個看似成熟的領域，科研人員卻長期深陷低碳、大冷量、高換熱的“不可能三角”。在熱力學第二定律劃下的紅線面前，人類從未停止過對熱力學極限的試探與突圍。
近日，中國科學院金屬研究所李昺、北京高壓研究中心李闊、西安交通大學錢蘇昕和中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所童鵬研究團隊在 Nature 發表成果。
他們發現了基於硫氰酸銨鹽（NH₄SCN）水溶液的“溶解壓卡效應”，即硫氰酸銨鹽在壓力調控下，可通過溶解和析出過程實現高效製冷：加壓時鹽析出放熱，卸壓後鹽溶解吸熱，能在短時間內產生顯著溫降，室溫下 20 秒內降溫近 30℃，且兼具低碳、高傳熱效率的優勢，爲數據中心等領域的冷卻技術提供了新的解決方案。
作爲該領域的中堅力量，李昺長期從事新型製冷材料研究。他堅持以大科學裝置表徵技術爲特色手段，以揭示深層次物理內涵爲主攻方向，貫通“原理-材料-器件-系統”全創新鏈。此前，他曾發現並命名了“龐壓卡效應”，設計了首個壓卡製冷原理樣機，並發現了熵變大幅優於原型材料 Gd₃Ga₅O₁₂ 的鐵磁性極低溫磁製冷新體系。
而這一次，他將目光投向了跨越固液邊界的溶液體系。
製冷範式的突圍
人類現代製冷文明的基石，長期建立在蒸汽壓縮技術之上。這一範式已統治工業界逾百年，其核心邏輯是通過壓縮機對氣體制冷劑進行週期性的“擠壓”與“膨脹”，利用氣液相變過程中的潛熱來搬運熱量。
這種方式雖然通過流體的對流實現了極高的換熱效率，但其弊端在“雙碳”時代愈發凸顯。一方面，廣泛使用的氟碳類製冷劑具有極高的全球變暖潛勢，對臭氧層和氣候平衡構成持續威脅；另一方面，經過百年的工程壓榨，氣體壓縮的能效已逼近物理極限，再難有質的突破。
圖 | 不同製冷技術優缺點（來源：上述論文）
爲了尋找更綠色的替代方案，科研界曾將目光投向固態製冷技術，如磁卡製冷、電卡製冷、壓卡製冷等。這些技術利用磁場、電場或壓力驅動固體材料發生相變，從而產生製冷效應。固態製冷擁有巨大的理論能量轉換潛力且環境友好，一度被視爲下一代製冷技術的希望。
然而，隨着研究的深入，固體材料撞上了一堵物理意義上的“南牆”——傳熱速率的天然瓶頸。
“固體制冷工質材料的換熱高度依賴於接觸面的熱傳導，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低於液體的對流換熱。這導致冷量往往被困在材料核心，無法及時溢出。”
相比之下，冰箱管路中的液體通過流動可以高效傳遞熱量，而固體材料僅能通過靜態接觸傳遞。這就形成了一個製冷界的悖論：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），就得面對傳統工質的環保與能效瓶頸。要在基於氣液相變、固液相變或固固相變的傳統框架內同時實現低碳、高效換熱與高能量效率，形成了一個難以逾越的“不可能三角”。
基於此，李昺團隊開始探索一種能夠同時兼顧傳統氣體壓縮製冷的高效換熱與固態製冷技術的無排放及高效率的全新方案。
打破這一僵局的靈感，源於一次在實驗室裏的意外捕捉。
“其實是一個非常偶然的機會，”李昺回憶起那個時刻，“當時我們在研究硫氰酸銨固體的壓卡效應，偶然間意識到該材料的溶解可以吸收大量的熱量。”
“這爲我們打開了新的思路，既然壓力是驅動製冷過程的主要手段，而溶解過程同樣可以被壓力調控，那麼就有可能通過壓力驅動溶解與析出的可逆循環來實現製冷。”他補充道。
這一思路也最終引導團隊走向了溶液體系的研究。在此基礎上，團隊提出了“溶解壓卡效應”。
在這種新機制中，壓力變成了操控溶解度的“開關”。施加壓力，溶質像被擠乾的海綿一樣析出結晶，釋放熱量；卸壓時，晶體迅速重新溶解入水，通過
破壞晶格和氫鍵網絡激發出巨大的吸熱潛能。
最精妙之處在於，這種製冷工質本身就是液態的。它直接避免了固態製冷中繁瑣的“二次換熱”過程——在固態製冷中，你需要用水或其他流體去“搬運”固體產生的冷量，這中間產生的界面熱阻是效率的“殺手”。而在溶解壓卡體系中，製冷工質與換熱介質實現了物理意義上的合二爲一。冷量在產生的瞬間，就存在於流動的液體中，可以通過循環泵直接輸送至終端。
更具優勢的是，溶解壓卡技術以水爲溶劑，水在室溫下的比熱容是所有常見物質中最大的。這意味着，單位體積的水溶液所能攜帶（或帶走）的熱量，比傳統氣體壓縮製冷劑要高得多。因此，在理論上，它能以更少的工質流量實現更強的熱傳輸能力，爲系統的高效率和緊湊化設計提供了物理基礎。
這種“製冷工質即換熱介質”的特性，不僅讓系統在室溫下實現了高達 26.8 K 的巨大溫降，也支撐起該體系高達 77% 的熱力學第二定律效率，爲高能耗算力中心等尖端散熱場景開闢了全新的物理疆域。
圖 | 製冷性能評估（來源：上述論文）
實驗數據顯示，在常壓室溫環境下，當卸壓觸發溶質溶解時，溶液的原位溫降高達 26.8K（即 26.8℃）。這一數字不僅打破了固體壓卡材料的換熱溫降通常小於 20K 的紀錄，更是目前全球已報道的新型製冷材料中的最高值。
通過設計精妙的類卡諾循環，單次循環實現 67 J/g 的冷量密度，即每克溶液可吸收 67 焦耳的熱量，冷量輸出能力遠超傳統固態壓卡材料，該體系測得的熱力學第二定律效率高達 77%，遠高於蒸汽壓縮製冷（約 30%-50%）和現有固態壓卡製冷（約 50%-60%）。
圖 | 採用硫氰酸銨水溶液的四步類卡諾冷卻循環示意圖（來源：上述論文）
熱力學第二定律效率是衡量實際製冷循環接近理想“卡諾循環”程度的指標。100% 是物理定律的天花板，代表無任何能量浪費。目前，大多數傳統冰箱和空調的第二定律效率在 30%-50% 左右。
光譜學與原位高壓測試顯示，這種溶解與析出的響應幾乎是在壓力變化的瞬間完成的，無明顯滯後。這意味着系統可以在極短的週期內完成溫降與升溫的循環，滿足連續製冷的工業需求。此外，作爲一種水溶液，其使用的無機鹽成本低廉、穩定性極佳，具備良好的循環穩定性。
瞄準 AI 算力的製冷需求
從 2019 年開始研究固體，到 2021 年第一次觀測到溶液降溫，再到 2026 年登上巔峯，這是一場跨越數年的科研接力。“這中間換了好幾撥人，有學生畢業去國外做博士後了，師妹和職工再接手。”李昺感嘆道，科研從來不是孤膽英雄的衝鋒，而是漫長的積累與傳承。
儘管成果卓著，但李昺對產業化的路徑有着極其冷靜的判斷。
傳統的蒸氣壓縮製冷技術自 1927 年商業化以來，已經走過了整整一百年。在長達一個世紀的極致打磨下，傳統家電的工程實現早已逼近理論極限，利潤空間更是被壓縮到了極致。“傳統的製冷大廠生產一臺冰箱可能也就掙 10 塊錢，”李昺坦言，“對於一個全新的、早期成本必然更高的技術來說，去成熟市場‘拼量’沒有優勢。新技術落地，必須尋找那些‘非它不可’的高價值場景。”
他將目光鎖定了當前最火熱也最焦慮的領域——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肅的行業預警。隨着英偉達等巨頭將芯片性能推向極致，預計到 2027 年左右，單個 GPU 的發熱功率將突破 2 千瓦，在手機大小的空間裏集中如此高的發熱量，其發熱密度已如同一個燒紅的電爐。現有的單相/兩相液冷或浸沒冷卻技術已逐漸顯得力不從心。
溶解壓卡技術則可以通過壓力精確控制製冷功率，實現“主動式”冷卻。在硫氰酸銨溶液體系中，隨着環境溫度的升高，溶液的溶解度變大。這意味着在同樣壓力驅動下，高溫環境能激發出更劇烈的溶解/析出反應，從而釋放出比低溫環境更大的溫降潛力。實驗數據顯示，環境溫度越高，該技術的溫降幅度反而越大。在 60 至 70℃ 的高溫環境下，它能產生高達 50℃ 的溫降。
（來源：Pixabay）
面對 AI 服務器散熱這一爆發性需求，團隊並未止步於論文中的硫氰酸銨體系。
“硫氰酸銨已經表現得很好了，但它更像是一個開啓新世界的原型。”李昺透露，實驗室目前已經開發並掌握了一系列性能更優、針對性更強的新材料配方庫。“在深入研究後，我們意識到溶液體系實際上是一個極其廣闊的領域。與固體材料相比，溶液的組合方式更爲多樣，簡單地更換陽離子或陰離子，就可能產生全新的體系。因此，其潛在的‘材料庫’可能比固體更爲豐富。”
至於效率的進一步提升，李昺認爲關鍵在於溶解與析出過程的反對稱性。“如果能通過篩選新體系，降低溶解與析出過程中的動力學滯後，我們的效率還有向上突破的空間。”
儘管如此，從實驗室走向工程化仍是一場馬拉松。“我們需要進一步降低驅動壓力，解決高壓環境下的設備小型化，需要在大體積循環中維持溶解的快速響應。”李昺相信，AI 產業對散熱的旺盛需求終將倒逼技術轉化。
參考鏈接：
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
運營/排版：何晨龍
