北理工團(tuán)隊(duì)在《Nature》發(fā)表重要研究成果
發(fā)布日期：2021-12-23 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：石殊倫 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院/材料學(xué)院黃厚兵特別研究員在相場(chǎng)模擬設(shè)計(jì)鐵電材料微結(jié)構(gòu)方面取得突出成果,，與上海交通大學(xué)錢小石團(tuán)隊(duì)合作，以通訊作者在《Nature》上發(fā)表研究成果：“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”,，通過精巧設(shè)計(jì)分子缺陷調(diào)控弛豫鐵電材料結(jié)構(gòu),，制備了一種極化高熵高分子，顯著提高低電場(chǎng)下的巨電卡效應(yīng),，首次將制冷循環(huán)壽命提高到逾百萬次,。這也是黃厚兵課題組繼Science, 366, 475-479 (2019), Science, 374, 100-104 (2021)和Science, 371, 1050-1056 (2021)合作發(fā)表的第四篇正刊論文。
電卡制冷效應(yīng)是一種奇異的物理現(xiàn)象,，利用電介質(zhì)可逆電致相變組成熱力學(xué)循環(huán),，逆著溫度梯度輸運(yùn)熱量。電卡制冷技術(shù)基于固態(tài)制冷,，具有零溫室效應(yīng)潛能,、易于小型化/輕量化、高能效等特點(diǎn),，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要顛覆性前瞻技術(shù)之一,。然而，目前最優(yōu)的制冷電介質(zhì)仍需極高外加電場(chǎng)方能產(chǎn)生工業(yè)化可用的降溫效果,，而高電場(chǎng)在實(shí)際樣機(jī)工作過程中極易造成材料老化與擊穿,，因而如何提升材料在低電場(chǎng)下的電致熵變是領(lǐng)域內(nèi)重要研究方向。
不同于當(dāng)前廣泛通過復(fù)合材料增強(qiáng)極化強(qiáng)度提高電卡效應(yīng)的研究范式,，本文反其道而行,，采取設(shè)計(jì)高熵高分子提升熵變（增大零場(chǎng)熵）。在同等外加電場(chǎng)（50 MVm-1）的驅(qū)動(dòng)下,，這種極化高熵材料表現(xiàn)出的電致熵變是目前最優(yōu)制冷高分子的近4倍,。
相場(chǎng)模擬方法的優(yōu)勢(shì)在于揭示多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，構(gòu)建了鐵電多場(chǎng)耦合機(jī)制的相場(chǎng)模型,，揭示了鐵性材料中極化強(qiáng)度-應(yīng)變-熱多場(chǎng)耦合復(fù)雜相互作用物理機(jī)制,。通過相場(chǎng)模擬揭示了,，高熵高分子同時(shí)提高系統(tǒng)結(jié)晶度，并降低晶粒尺寸,，因此材料內(nèi)呈現(xiàn)極化基元數(shù)量的極大增長(zhǎng),，降低了疇結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)具有更高的自由度與極化熵,。
圖1 黃厚兵課題組圍繞鐵電材料微觀疇結(jié)構(gòu)決定鐵電性能,，利用相場(chǎng)模擬揭示了鐵電疇翻轉(zhuǎn)和相變的微觀機(jī)制。
此項(xiàng)研究,，上海交通大學(xué)錢小石副教授為本文第一作者與通訊作者,，洪亮教授、黃興溢教授與北京理工大學(xué)黃厚兵特別研究員為共同通訊作者,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院/材料學(xué)院博士后施小明為合作者,。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04189-5
附黃厚兵特別研究員簡(jiǎn)介：
黃厚兵，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院特別研究員,，博士生導(dǎo)師,。主要從事相場(chǎng)模擬材料微觀結(jié)構(gòu)演化研究，在Nature, Science, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Acta Mater., Sci. Bull.等期刊發(fā)表SCI論文110余篇,，多次在國(guó)際大會(huì)作邀請(qǐng)報(bào)告,。所開發(fā)的模型源代碼已集成于商業(yè)軟件μ-Pro。黃厚兵特別研究員先后主持自然科學(xué)基金面上和青年項(xiàng)目,、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子任務(wù),、北京市“青年托舉工程”等5項(xiàng)。擔(dān)任 “相場(chǎng)與集成計(jì)算材料工程會(huì)議”理事會(huì)常務(wù)理事,、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員,、北京市硅酸鹽學(xué)會(huì)理事和Adv. Mater. Dev. 青年編委等。
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