夏日炎炎，空調與冰箱成為生活必需品，而超低溫制冷技術如液氮、液氦等則為前沿科學探索提供支撐。然而，一個長期困擾材料科學領域的難題始終未解：能否找到一種單一材料，實現從室溫到接近絕對零度的全溫區高效制冷？近日，中國科學院金屬研究所的研究團隊在這一領域取得重大突破，發現一種名為六氟磷酸鉀（KPF?）的無機塑晶材料，首次實現了“全溫區壓卡效應”，為固態制冷技術開辟了全新路徑。

要理解這一突破的意義，需先了解“卡效應”的原理。卡效應是指材料在外場作用下發生溫度變化的現象，其名稱源于早期對熱量本質的認知——當時認為熱是一種名為“卡路里”的流體。當材料受到磁場、電場、應力或壓力等外場作用時，其內部原子排列、電子狀態或分子取向會發生變化，導致熵的改變，進而引發吸熱或放熱，表現為溫度升降。根據外場類型，卡效應可分為磁卡效應、電卡效應、彈卡效應和壓卡效應，堪稱材料的“熱力學開關”。

傳統固態相變制冷技術，包括各類卡效應，均存在一個致命缺陷：制冷效應僅在相變溫度附近約10開爾文（約10攝氏度）的狹窄范圍內有效。例如，室溫磁卡制冷的典型材料釓，其有效制冷區間僅在293K附近約20K；龐壓卡制冷材料新戊二醇的制冷溫區也局限于315K附近的狹窄范圍。為實現寬溫區制冷，科學家不得不將多種材料串聯，構建復雜的多級系統，但這導致結構臃腫、成本高昂且效率低下。因此，尋找單一材料實現全溫區制冷，一直是該領域的“終極目標”。

六氟磷酸鉀的獨特之處在于其晶體結構與相變行為。這種白色晶體在室溫下呈面心立方結構，內部的PF??離子團可自由旋轉，形成高度無序的排列，屬于無機塑晶材料。當溫度降低時，它先后經歷兩次相變：257K時從立方相轉變為單斜相II，219K時進一步轉變為單斜相I，伴隨PF??離子團旋轉自由度的逐步受限。更關鍵的是，施加壓力可誘發其形成高壓菱形相，這一特性打破了傳統壓卡材料“一個相變對應一個溫區”的限制，為全溫區制冷奠定了結構基礎。

研究團隊通過精密實驗驗證了六氟磷酸鉀的壓卡效應。在250MPa壓力下，室溫（300K）時材料的絕熱溫度變化達12K，液氮溫度（77.5K）下仍保持2.5K的變化。更驚人的是，這種效應的溫度跨度極廣：從4K的極低溫到350K的高溫，材料均可通過壓力誘導相變實現壓卡效應。原位高壓拉曼散射和中子衍射實驗表明，無論初始狀態是立方相、單斜相II還是單斜相I，在足夠壓力下均會轉變為同一種高壓菱形相，而這一相變正是產生壓卡效應的關鍵。

從原子尺度看，六氟磷酸鉀的相變機制更為獨特。第一性原理計算顯示，從低溫單斜相I到高壓菱形相的轉變無需打破化學鍵，而是通過PF??八面體的協同旋轉伴隨晶格調制實現。這種轉變的動力學能壘較低（約0.27電子伏特每分子式單位），使得相變可在較溫和條件下發生，且在寬溫度范圍內持續有效，與傳統材料局限在特定溫度附近形成鮮明對比。

六氟磷酸鉀的發現直接顛覆了傳統制冷系統的設計理念。其覆蓋從室溫到液氦溫度的全溫區制冷能力，在固態相變材料中尚屬首次。這意味著，過去需要多種材料串聯才能實現的寬溫區制冷，如今可能由單一材料完成。實驗表明，該材料在4K超低溫下仍能通過壓力誘發相變，顯示出在超導技術、量子計算等極低溫領域的應用潛力。

這一突破不僅代表新材料的誕生，更標志著材料科學研究范式的轉變。過去，研究者聚焦于提高單一溫度點的效應強度，而六氟磷酸鉀的成功提醒人們：“廣度”有時比“強度”更重要。一個在寬溫區內保持中等效應的材料，可能比僅在狹窄溫區內具有巨大效應的材料更具實用價值。這種思維轉變促使研究者重新審視其他卡效應材料，發現具有復雜相圖和多重相變的材料可能蘊藏更豐富的制冷潛力，無機塑晶材料也因此成為新的研究熱點。

多學科交叉是這一突破的關鍵。從材料合成、結構表征到物性測量和理論計算，每個環節均需不同領域的專業知識。中子散射、拉曼光譜、第一性原理計算等技術的綜合運用，為深入理解材料性能提供了有力工具。例如，壓力依賴的拉曼散射實驗清晰展示了六氟磷酸鉀在超低溫下的相變行為，為優化制冷循環設計提供了依據。

盡管前景光明，但六氟磷酸鉀的產業化仍面臨挑戰。首先是壓力施加與控制問題：當前實驗需數百兆帕壓力，對壓力系統設計提出高要求，降低工作壓力是未來研究重點。其次是制冷循環優化：需設計高效熱力學循環以充分利用全溫區特性，兼顧傳熱、壓力傳遞和系統集成。材料工程化也是關鍵：實驗室粉末樣品與實際應用元件在形態、尺寸和傳熱性能上差異顯著，如何加工成適合實際應用的形態并保持性能，需材料工程學的深入探索。

在全球氣候變化和能源危機的背景下，開發高效、環保的制冷技術愈發迫切。基于固態相變的制冷技術因環境友好、能效高等優勢，有望成為下一代主流選擇。六氟磷酸鉀的全溫區壓卡效應為這一技術路線注入強大動力，而隨著研究深入，更多類似材料可能被發現，共同構建新一代固態制冷技術的材料基礎，推動制冷產業向高效、環保、智能方向發展。