热无处不在，全球约72%的初级能源转化后主要以热耗散的形式释放。传统相变储热材料完全依赖于环境温度，存在本征热耗散的弊端，导致其放热过程被动、不可控，应用场景受限。因此，热能在非温度外场条件下的有效调控一直是能源领域的一项重要挑战。开发可控储、放热新技术，对于提高能源利用率以及解决碳排放问题意义重大。

近年来，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李昺研究员团队在一系列塑晶材料中发现并命名了庞压卡效应（Nature, 567(7749):506-510, 2019），为构建零碳制冷技术提供了全新的技术路线。2023年，该团队发现了首个反常庞压卡材料体系，并基于该效应发明了压力可控储热技术（Science Advances, 9(7):eadd0374, 2023；专利ZL 202011370421.5），将庞压卡效应的应用场景拓展至热能利用领域。近期，该团队针对上述技术储热量小、驱动压力大等弊端，与四川大学、澳大利亚核科技组织等单位合作，利用塑晶材料中玻璃晶体相的压致结晶效应，发明了一种全新的压力可控储热技术（图1）。

塑晶又称取向无序晶体，其中组成分子或原子基团的质心构成长程有序晶格，但取向却如同液体一般呈现动态无序。随着温度逐渐降低，塑晶相的取向也有序化，称为有序晶体。如若快速降温抑制有序相变，塑晶则处于过冷态，取向逐步冻结，最终演化为玻璃态，即玻璃晶体态。玻璃晶体态较为特殊，作为单相材料却兼具玻璃和晶体特征。上述几种特殊物相及相互转化关系请参考图2。该研究工作具体以塑晶材料2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇（AMP）为原型，结合中子散射和介电谱测量技术，系统研究了材料晶体结构、原子动力学和相变行为，证实了其过冷塑晶相和玻璃晶体相的存在。在室温下，过冷塑晶相对压力极为敏感，6.7 MPa压力即可诱导其向有序晶体相的转变，同时释放134 J g⁻¹的潜热，在20 s内温度升高48 K。该团队设计开发了一种电驱动压力可控放热的概念装置，发现1 J电能即可诱导材料发生相变，释放之前所存储的383 J热能（图3）。

该技术充分利用塑晶材料的过冷塑晶相（玻璃晶体相）及其压力可调制特性，克服了传统储热技术依赖于隔热条件的缺点，在无需任何绝热措施的前提下，提供了一种能够对热能精准、可控、有序再利用的新手段，有望实现100 ℃以下低品位废热的高效回收、稳定存储、远距离运输和可控再利用。团队也正在积极探索该技术在动力系统冷启动和航天器空间热管理等方面的应用。

相关成果以“Taming heat with tiny pressure”为题发表于The Innovation, 5(2):100577 2024（DOI：10.1016/j.xinn.2024.100577），并已获得国家发明专利授权（专利ZL 202210034888.5）。

金属所功能材料与器件研究部张琨副研究员、张哲博士为共同第一作者，四川大学罗江水教授、澳大利亚国家核科学技术组织（ANSTO）高级首席谱仪科学家于德洪博士、金属所李昺研究员为共同通讯作者。

该工作得到了中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金杰出青年项目、中国科学院金属研究创新基金项目、建制化科研平台等项目的资助。

图1. 基于过冷塑晶相的微小压力可控储热新技术的应用场景示意图

图2. 塑晶冷却曲线示意图

图3. 基于AMP过冷塑晶相的压力可控储、放热性能表现