MIT研究團隊研制“分子開關”，以此制造低成本熱電池

對相變材料性質的精準控制，將會打開相變材料廣泛應用的大門。

相變材料(PCM - Phase Change Material)是指隨溫度變化而改變物質狀態并能提供潛熱的物質。其中物理性質的轉變過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。

背景|熱性能

吸熱和散熱是相變材料最基礎也是最重要的性質，故而利用這一特點進行相關產品的研發是相變材料目前最為廣泛的應用。

在航空航天領域，對宇航員和航天器的保護多采用相變材料，所以上世紀該材料是俄美等航空大國的壟斷“財富”；后來，隨著科技的發展，現在將相變材料應用到建筑中，可以達到節能60%-99%；在軍事上，由于相變材料可以吸收大量的熱，將其應用到裝甲等的熱防護上，可以大大提高軍事裝備的抗打擊能力。

所以，在熱電池的儲能方面，一大熱門的研究方向就是采用相變材料，即當吸收熱量時，材料從固態到液態發生相變來儲存能量，當溫度低于熔點時，材料會變回到固體，并將儲存的熱量釋放。但是，目前所有的相變材料都要先進行絕緣處理，且其在散熱時的相變過程難以控制。

研究|分子開關

對此，麻省理工學院（MIT）的研究團隊開發了一種新型化學復合材料，以實現對熱電池散熱過程的精準控制。

為了實現控制功能，研究團隊采用了“分子開關”，該開關可以根據光線改變形狀。當集成到PCM中時，我們就可以用光線來調節材料的溫度，使得相變的溫度點保持低于原材料的熔點。

那究竟怎樣實現這一“分子開關”功能呢？

對此，Jeffrey Grossman教授指出：“訣竅在于找到一種方法，將分子與傳統的相變材料結合在一起，讓其按需釋放儲存的能量。”

經過實驗研究，研究人員將脂肪酸與對光脈沖作出響應的有機化合物相結合，以此充當“分子開關”，其中，光敏元素可以改變另一元素存儲和釋放熱量的性能。

實驗中，研究人員對陽光下的條件進行模擬。當他們給一定的熱時，混合材料會在加熱時融化，隨后研究人員對其進行紫外線照射，發現即便溫度很低材料依然保持液態，只有當研究人員給一個光脈沖觸發它，材料才會重新凝固并返回到收集能量的初態。

對于這一過程，研究人員Grace Han解釋道：“我們技術上做的是一個新的能量屏障，因此儲存的能量不會立即釋放，在化學存儲的形式下，能量可以存儲很長時間，直到光學觸發器被觸發，它才會釋放能量。”

值得指出的是，本次實驗過程中，儲存的熱量可以維持至少10個小時，而同等大小的傳統裝置下，能量只能維持幾分鐘的存儲時間。

關于能量密度這一重要參數，Han表示：“即使我們使用傳統的相變材料，能量密度也是相當重要的，現在這種材料每克可以儲存大約200焦耳的能量，有機相變材料中這一性能是非常好的了。而且人們已經表示有興趣在印度農村地區使用這種材料進行烹飪了，這一裝置也可以用于農作物的烘干或供暖。”

應用|儲能和通信

關于這一技術未來的應用前景，Han說道：“它可以利用任何熱源，而不僅僅是太陽能。生活中，從工業過程、太陽能加熱到車輛散發的熱量，廢熱是普遍存在的，而且通常都會被浪費，利用這一方法就可以幫助回收各種廢熱。”

除了常見的儲能這一應用場景，在計算機主存的制作上，有研究團隊發現采用相變材料制作的新型內存具有低功耗、低成本的特點，但因該種材料性質難以控制，故而其發展一直受限?，F在，我國中科院的研究團隊也已經在此方面取得了較大突破。伴隨著對相變材料性能的精準控制，相變材料將開始應用到全新領域。

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