Материал с высокой плотностью энергии открывает путь к компактным твердотельным холодильникам

Совместная исследовательская группа из Института физики твердого тела Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук обнаружила высокоэнергетический барохолодильный эффект в пластичном суперионном проводнике Ag₂Te₁₋ₓSₓ.

Пластичный суперионный проводник Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Автор: Чжао Вэйвэй

Профессор Тун Пэн, руководивший командой, заявил: «Этот материал демонстрирует объёмную барохолодильную производительность, далеко превосходящую большинство известных неорганических материалов. Его высокая плотность энергии делает его хорошо подходящим для более компактных и лёгких охлаждающих устройств».

Результаты исследования были опубликованы онлайн в журнале Advanced Functional Materials.

Барохолодильники как альтернатива

Современные холодильные системы в основном полагаются на парокомпрессионные технологии, которые используют хладагенты — парниковые газы и уже близки к своему пределу эффективности. Барохолодильное охлаждение — воздействие давлением на твёрдые материалы — предлагает более чистую и потенциально более эффективную альтернативу. Однако ключевой для реальных устройств фактор, изменение объёмной энтропии, ранее не был хорошо изучен.

С помощью моделирования методом конечных элементов команда обнаружила, что уменьшение размера контейнера повышает его способность выдерживать давление, что позволяет уменьшить толщину стенок и добиться вторичного снижения веса. Это подчёркивает необходимость в материалах с высокой плотностью энергии, в чём большинство известных барохолодильных материалов всё ещё отстаёт.

Прорыв с материалом Ag₂Te₁₋ₓSₓ

В этом исследовании команда сосредоточилась на плотном твёрдом растворе Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Эксперименты показали, что под умеренным давлением всего в 70 МПа материал производит обратимое изменение объёмной энтропии в 0,478 Дж·см⁻³·К⁻¹ — это наивысшее значение, зарегистрированное для любого неорганического барохолодильного материала на сегодняшний день. Его барохолодильная «сила», 6,82 мДж·см⁻³·К⁻¹·МПа⁻¹, также превосходит большинство неорганических систем и даже известные органические материалы, такие как неопентилгликоль.

Данные нейтронной дифракции раскрывают причину этой необычно сильной тепловой реакции. При приложении давления материал претерпевает структурный сдвиг из кубической в моноклинную фазу, сопровождаемый изменением объёма кристаллической решётки примерно на 5,4%. Одновременно резко меняется диффузия ионов серебра внутри структуры, что дополнительно усиливает калорический эффект.

Барохолодильная производительность Ag₂Te₁₋ₓSₓ и её механизм. Автор: Тун Пэн

Практические преимущества и потенциал

Материал также демонстрирует несколько практических преимуществ. Он относительно хорошо проводит тепло и обладает высокой деформируемостью, что позволяет формовать его в гранулы миллиметрового масштаба или тонкие листы, способные эффективно обмениваться теплом. Даже после сильной деформации, быстрых температурных изменений и многократных циклов давления барохолодильная производительность остаётся стабильной — важный признак надёжности для будущих твердотельных охлаждающих технологий.

Эта работа представляет новую материальную платформу, сочетающую гигантские объёмные барохолодильные эффекты, хорошую обрабатываемость и относительно высокую теплопроводность, открывая свежие возможности для технологий «зелёного» охлаждения следующего поколения.

Дополнительная информация: Keke Liu et al, Colossal Barocaloric Strength in Plastic Ag₂Te₁₋ₓSₓ with High Density, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202519224

Источник: Chinese Academy of Sciences