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图 界面增熵策略诱导庞电卡效应：(A)DMHD调控聚合物构象转化；(B)BET纳米孔径分布；(C)电致熵变结果，插图为红外相机温变结果；(D)多种材料的电卡强度与熵变对比；(E-G,H-J)纳米红外化学吸收
在国家自然科学基金项目（批准号：52076127）等资助下，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心钱小石教授课题组，在电卡制冷效应方面取得进展。相关研究成果以“铁电聚合物界面增强产生庞电卡效应（Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer）”为题，于2023年12月1日发表在《科学》（Science）杂志，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7812。
巨电卡效应是一种奇特的凝聚态物理现象，利用固体电介质充放电过程中交替极化-退极化产生可逆的电致温变所组成的制冷循环。电卡制冷系统具有电能损耗小，能效高，具有零温室效应潜能和易于小型化、轻量化等特点，有望替代现有制冷剂以减缓温室效应。目前最优的制冷电介质仍需施加极高的电场才能满足工业化降温要求，但这会加速材料老化、疲劳与击穿。因此，如何提高电介质对电场的电致熵变响应，提升材料整体电卡综合性能是该领域亟需攻克的难题。通过降低弛豫体极性畴尺寸，可增加电场诱导的偶极熵变。但由于弛豫铁电体复杂的结晶过程，进一步将晶畴尺寸减小到亚纳米尺度极具挑战。
为此，该研究团队在弛豫铁电体聚合物中混溶低沸点多元醇有机小分子DMHD，利用两者分子间相互作用，在非均相界面上诱导聚合物非极性单元向极性相的构像自组装（图A），引入大量小而多的亚纳米极性孔界面来提升材料熵变（图B,E-J）。在同等外加电场（100 MV/m）驱动，纳米孔界面增强的聚合物表现出的熵变是普通聚合物的4倍（图C），实现了超越“巨电卡效应”的“庞电卡效应”。在20%击穿电场的低电场下，改性后的材料熵变达到100 J/(kg.K) ，电卡强度超过1 J/(kg.K.MV) （图D）。通过结构和介电分析探讨了电卡增强的机理，并利用相场分析和朗道理论对其进行了证实。同时进行密度泛函理论和分子动力学模拟，进一步理解界面极性相构像在分子尺度上的自组装行为。所得的界面增强聚合物的制冷能力达到5x103 J/kg，并且保持300万次稳定循环运行。