傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷大量使用高全球變暖潛值的制冷劑，排放大量溫室氣體，對生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。

磁制冷環(huán)境友好，能效比高，具有綠色高效、低碳排放的優(yōu)勢，是理想的新一代制冷技術(shù)。近期磁制冷相關(guān)研究動態(tài)一覽。

01

綠色高效磁制冷新模式：混合式回?zé)?/span>

Lin Y., Wang J., Dai W., et al. (2024). A full solid-state conceptual magnetocaloric refrigerator based on hybrid regeneration. The Innovation 5(4), 100645.

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100645

本文提出了整個器件都參與回?zé)徇^程的混合式回?zé)崮Ｊ揭约坝酶邿釋?dǎo)率固體進(jìn)行換熱提升工作頻率的理念，并設(shè)計了基于混合式回?zé)岬娜虘B(tài)磁制冷器件。該新型磁制冷器件具有實現(xiàn)高頻高效高功率制冷的巨大潛力，為實現(xiàn)低碳排放綠色高效制冷提供了一條新思路。

02

為無液氦極低溫制冷提供新方案

Xiang, J., Zhang, C., Gao, Y. et al. Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na₂BaCo(PO₄)₂. Nature 625, 270–275 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w

本研究在鈷基三角晶格量子磁性材料中，通過理論和實驗研究緊密結(jié)合，證實了阻挫量子磁體中超固態(tài)（自旋超固態(tài)）的存在。這是在實際固體中首次給出超固態(tài)存在的實驗證據(jù)。研究人員發(fā)現(xiàn)在自旋超固態(tài)量子臨界點附近，該材料具有巨大的磁熵變，引起巨磁卡效應(yīng)，又通過絕熱去磁過程獲得了94 mK的極低溫，實現(xiàn)了亞開溫區(qū)無液氦極低溫制冷。該效應(yīng)被稱為自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)。

03

原位形成雙相合金優(yōu)異的磁致冷行為

Hong Zhong, Yuzhu Song, Feixiang Long, et al. Design of Excellent Mechanical Performances and Magnetic Refrigeration via In Situ Forming Dual-Phase Alloys. Advanced Materials 2024, 27, 2402046.

https://doi.org/10.1002/adma.202402046

本文通過在具有優(yōu)異磁熱效應(yīng)（MCE）的金屬間化合物中原位沉淀堅韌的磁制冷相，來形成雙相合金以克服其難以加工成器件的機械性能阻礙。在87.5Gd-12.5Co合金中，加入韌性相Gd可以提高合金的強度(≈505 MPa)和良好的塑性(≈9.2%)。強化相Gd使合金的制冷量達(dá)到720 J/kg。此外，由于兩相的協(xié)同作用，合金表現(xiàn)出較低的熱膨脹，有利于磁制冷換熱過程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。兩磁相之間的耦合作用可以拓寬制冷溫度范圍，減小磁滯。

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提高非晶合金磁熱性能瓶頸

Shao, L., Luo, Q., Zhang, M. et al. Dual-phase nano-glass-hydrides overcome the strength-ductility trade-off and magnetocaloric bottlenecks of rare earth based amorphous alloys. Nat. Commun. 15, 4159 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48531-7

本文采用氣霧化法制備出Gd基非晶合金粉末，利用等溫吸氫方法開發(fā)出具有稀土氫化物-非晶合金基體雙相納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，該材料展現(xiàn)出巨磁熱效應(yīng)，在5T外場下最大磁熵變值為 18.7 J kg ^?1 K ^?1 ，比吸氫前GdAlCo非晶合金大105.5%。與傳統(tǒng)合金吸氫后容易發(fā)生氫脆不同，該Gd基非晶合金吸氫后強度提高40%，塑性應(yīng)變從幾乎為零提高到70%，突破了非晶合金強度與韌性難以兼得的矛盾。

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增材制造：磁制冷技術(shù)突破新途徑

Sun W., Zhang M., Fu Q., et al., (2023). Opportunities and challenges of additive manufacturing toward magnetic refrigeration. The Innovation materials 1(3), 100032.

https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100032

本評述旨在總結(jié)增材制造磁制冷材料的研究現(xiàn)狀與遇到的問題，探討解決方案。盡管增材制造磁熱材料的相關(guān)研究還處于起步階段，可以預(yù)見，增材制造技術(shù)必將給磁制冷領(lǐng)域帶來革命性的變化。目前，迫切需要對原料品質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、過程監(jiān)控、缺陷形成機制進(jìn)行系統(tǒng)研究，以推進(jìn)磁致冷在小家電、醫(yī)療制冷、氣體液化和探測器等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

06

創(chuàng)新磁制冷材料：實現(xiàn)氫氣液化的突破

Romero-Mu?iz C., Law J.Y., Revuelta-Losada J., et al., (2023). Magnetocaloric materials for hydrogen liquefaction. The Innovation materials 1(3), 100045.

https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100045

在這篇綜述中，研究團(tuán)隊深入研究了400多種適用于氫液化的低溫磁制冷材料，重點介紹了其組成成分、磁熱性能和磁相變，其中包含轉(zhuǎn)變溫度在10至80K之間的磁制冷材料。通過使用這個數(shù)據(jù)庫，研究人員可以從實驗角度出發(fā)，或者使用基于機器學(xué)習(xí)算法來尋找具有理想性能的新材料。這對于推動基于氫能而有望實現(xiàn)的綠色能源轉(zhuǎn)型有重大意義。

07

超低溫下的大體積磁熵變

Ziyu W. Yang, Jie Zhang, Bo Liu, et al., Exceptional Magnetocaloric Responses in a Gadolinium Silicate with Strongly Correlated Spin Disorder for Sub-Kelvin Magnetic Cooling. Adv. Sci. 2024, 11, 2306842.

https://doi.org/10.1002/advs.202306842

本文提出了一種以強關(guān)聯(lián)自旋無序來實現(xiàn)低溫下大體積磁熵變的方法，并在釓硅酸鹽Gd _9.33 [SiO ₄ ] ₆ O ₂ 體系中得到了驗證。該材料具有非常高的磁離子密度（1.78 × 10 ²²  cm ^-3 ），即使在極低的50 mK溫度下，仍未出現(xiàn)長程磁有序。這些特性使其展現(xiàn)出巨大的體積單位磁熱響應(yīng)，遠(yuǎn)高于商業(yè)化順磁鹽制冷工質(zhì)釓鎵石榴石（Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ ），并超越了大部分已報導(dǎo)的材料體系。

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釓基分子冷卻劑—聚集實現(xiàn)更優(yōu)的磁熱效應(yīng)

Yuan-Qi Zhai, Wei-Peng Chen, Marco Evangelisti, et al., Gd-based Molecular Coolants: Aggregating for Better Magnetocaloric Effect. Aggregate 2024, e520.

https://doi.org/10.1002/agt2.520

本文作者通過溶劑熱法成功合成了15種3d-Gd混金屬磷酸酯配合物，其中包括7種僅含兩個釓(III)離子的配合物和8種含有超過兩個釓(III)離子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在第一系列中，由于釓(III)二聚體周圍環(huán)境的相似性，為研究磁交換作用對磁熱效應(yīng) (MCE) 的影響提供了獨特的視角。第二系列中，通過增加釓(III)中心的數(shù)量 (加倍、三倍甚至四倍)，作者進(jìn)一步探索了在復(fù)雜環(huán)境下磁交換作用對MCE的影響。配合物{Ni ₅ Gd ₈ }具有出色MCE性能，比熱測試發(fā)現(xiàn)在1 T的低場磁熵變值達(dá)到10.7 Jkg^?1K^?1。作者還發(fā)現(xiàn)磁熵變值 (量度單位為焦耳/千克) 與配合物中釓(III)離子所占分子量的百分比線性相關(guān)，這為進(jìn)一步理解和優(yōu)化MCE提供了重要線索。

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混合磁子-聲子定位增強近鐵玻璃態(tài)功能

M. E. Manley, P. J. Stonaha, N. M. Bruno, et al.,  Hybrid magnon-phonon localization enhances function near ferroic glassy states .  Sci. Adv. 10, eadn2840 (2024).

https://doi.org/10.1126/sciadv.adn2840

研究團(tuán)隊利用中子散射技術(shù)，在原子尺度上分析了Ni₄₅Co₅Mn_36.6In_13.4 Heusler合金——這一被認(rèn)為是固態(tài)制冷領(lǐng)域最佳的候選材料。中子散射表明，固有地分布在互反空間的局部磁振子-聲子混合模式，作為聲子和磁振子之間的橋梁，導(dǎo)致了聲子的大量磁場誘導(dǎo)位移，將冷卻能力（熱量響應(yīng)）提升三倍，對材料的熱性能具有重要意義。

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增強稀土基化合物中的磁熱效應(yīng)

J.W. Xu, X.Q. Zheng, L. Xi, et al., Significant enhancement of magnetocaloric effects via tuning Curie temperature and magnetic anisotropy in rare-earth based compounds. Appl. Mater. Today 35, 101982 (2023).

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101982

研究團(tuán)隊利用低Gennes factors的Er和Tm原子來調(diào)控HoCuAl磁體的磁相變和磁制冷性能。相較于母體材料，10%的Er或Tm替代，0-5T變化下的磁熵變峰值分別增加了25%和10%，相應(yīng)的制冷能力分別提高了40%和20%。利用中子衍射等實驗手段證實了微量Er或Tm替代顯著增強的磁熱效應(yīng)是由于磁有序溫度的降低和磁各向異性的減弱。