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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)仍需極高外加電場方能產(chǎn)生工業(yè)化可用的降溫效果，而高電場在實(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（增大零場熵）。在同等外加電場（50 MVm^-1）的驅(qū)動下，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。

相場模擬方法的優(yōu)勢在于揭示多物理場耦合機(jī)制，構(gòu)建了鐵電多場耦合機(jī)制的相場模型，揭示了鐵性材料中極化強(qiáng)度-應(yīng)變-熱多場耦合復(fù)雜相互作用物理機(jī)制。通過相場模擬揭示了，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，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，多次在國際大會作邀請報(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 “相場與集成計(jì)算材料工程會議”理事會常務(wù)理事、中國硅酸鹽學(xué)會青年工作委員會委員、北京市硅酸鹽學(xué)會理事和Adv. Mater. Dev. 青年編委等。