被稱為塑料晶體的材料由通過弱長程力相互作用的分子組成。結(jié)果，這些材料是高度可壓縮的并且可以以可逆的方式變形 - 因此形容詞“塑料”。在一定的壓力和溫度條件下，塑料晶體中的分子幾乎可以圍繞其質(zhì)心開始旋轉(zhuǎn)。質(zhì)心保持局限于晶格中明確定義和有序的位置，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致取向無序。在自然界的一篇論文中，李等人。圖1報道了塑料晶體中分子有序和無序之間的相變可以通過施加小的壓力用于冷卻目的。

傳統(tǒng)的制冷技術(shù)基于溫室氣體交替壓縮和膨脹的循環(huán)。一公斤典型的制冷劑氣體對地球大氣中的溫室效應(yīng)貢獻了兩噸二氧化碳，這相當于連續(xù)六個月不間斷地運行汽車(參見go.nature.com/2ffbqvt)。此外，目前的冷卻技術(shù)不能縮小到微芯片的尺寸，這阻礙了更快和更緊湊的計算機和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展。因此迫切需要找到環(huán)保且高度可擴展的冷卻方法，以改進許多關(guān)鍵技術(shù)以及保護環(huán)境。

固態(tài)冷卻是一種環(huán)保，節(jié)能和高度可擴展的技術(shù)，可以解決與當前制冷方法相關(guān)的大多數(shù)問題。它依賴于將外部磁場，電場或機械場的循環(huán)應(yīng)用于稱為熱量材料的化合物。這些化合物由于場誘導(dǎo)的相變而經(jīng)歷溫度變化，其涉及熵的大變化 - 紊亂的量度。

熱量材料的實例包括鐵電體2，有機 - 無機雜化鈣鈦礦3和快離子導(dǎo)體4。然而，大多數(shù)已知的卡路里材料并不理想。例如，一些僅具有適度的制冷性能，或者在不同于環(huán)境條件的溫度下操作。而對于其他人來說，耐久性和循環(huán)速率會受到材料疲勞和相變滯后的影響 - 完成相變所需的條件取決于過渡的方向。因此，固態(tài)冷卻的進展受到限制。

Li及其同事的工作為固態(tài)冷卻領(lǐng)域提供了令人興奮的前景。研究人員發(fā)現(xiàn)了與塑料晶體中發(fā)生的分子有序 - 無序相變相關(guān)的極大熵變。此外，他們發(fā)現(xiàn)這些過渡可以通過施加小的壓力(大約10-100兆帕斯卡)在室溫附近觸發(fā)，因此可以用于制冷目的。

在原型熱量材料中測量的典型的場誘導(dǎo)熵變化為每開爾文每公斤10焦耳。相比之下，Li等人發(fā)現(xiàn)的那些。塑料晶體的數(shù)量級為100J kg-1 K-1。例如，在室溫附近報告的代表性塑料晶體新戊二醇的熵變?yōu)榧s390J kg-1 K-1，這導(dǎo)致大的溫度變化(大約50K)。

可以直觀地理解塑料晶體中巨大壓力引起的熵變的基礎(chǔ)的分子機制。當對無序(高熵)相施加壓力時，分子旋轉(zhuǎn)在幾何上受到抑制;也就是說，分子之間的競爭性相互作用限制了它們可能的取向。結(jié)果，有序(低熵)相穩(wěn)定。隨之而來的熵減少是巨大的 - 與通常與晶體熔化相關(guān)的熵相似。相反，當去除壓力時，分子恢復(fù)其旋轉(zhuǎn)并且重新建立無序相，導(dǎo)致熵的同樣大的增加。

以前的研究已經(jīng)報道了與熱量材料中壓力驅(qū)動的有序 - 無序相變相關(guān)的巨大溫度變化。例如，在快離子導(dǎo)體，這樣的效果伴隨從正相的超離子階段，其中離子的導(dǎo)電性非常高的過渡5-7。然而，塑料晶體與其他熱量材料完全不同，不僅僅是因為它們在室溫附近發(fā)生巨大的熵變：它們便宜且易于生產(chǎn)，重量輕，無毒且有彈性。因此，它們似乎特別適合于在電子設(shè)備和移動應(yīng)用中集成固態(tài)冷卻。

然而，塑料晶體不是完美的熱量材料。例如，鑒于它們的有機性質(zhì)，它們具有相對低的熔點(通常約300-400K)8，這對于制冷應(yīng)用是不希望的。此外，使塑料晶體高度可變形的特性意味著這些材料缺乏機械彈性以承受許多制冷循環(huán)。也許最重要的是，滯后和相位共存效應(yīng)可能會削弱塑料晶體的冷卻性能。如果我們要在商業(yè)制冷中使用塑料晶體，就需要分析這些技術(shù)問題并找到解決方案。

Li及其同事建議將外部壓力和電場結(jié)合起來，以避免與塑料晶體相關(guān)的滯后問題。已經(jīng)證明類似的策略適用于稱為磁熱材料的化合物，其中已經(jīng)組合了機械磁場和磁場以消除不希望的滯后效應(yīng)9。

然而，塑料晶體中的大多數(shù)分子是極性的事實并不能保證向這些材料施加電場將消除滯后效應(yīng)。原因是可能需要非常大的電場(大約1,000千伏每厘米)來誘導(dǎo)對分子旋轉(zhuǎn)的任何影響，如理論上已經(jīng)在有機 - 無機雜化鈣鈦礦10中所示。這個問題的一個可能的解決方案可能是找到或設(shè)計鐵電塑料晶體，其中有序相已經(jīng)表現(xiàn)出集體極性順序11。盡管存在這些挑戰(zhàn)，Li及其同事的工作代表了尋找具有優(yōu)勢特性的其他熱量材料的一步。