近日，省杰青獲得者、中南大學(xué)王輝教授及其合作者在固態(tài)制冷領(lǐng)域取得重要研究進展。研究團隊在塑性晶體中發(fā)現(xiàn)了基于分子取向序的龐壓卡效應(yīng)，等溫熵變最高達687 J Kg-1 K-1，較傳統(tǒng)固態(tài)相變制冷材料高出了一個數(shù)量級，在《Nature》上發(fā)表了“Colossal barocaloric effects in plastic crystals”學(xué)術(shù)論文（Nature 567, 506 (2019)），中南大學(xué)為合作完成單位。在此基礎(chǔ)上，研究團隊開展了進一步的深入研究，揭示了由氫鍵關(guān)聯(lián)分子取向動力學(xué)和壓力對分子取向無序抑制的微觀物理機制，為深入理解固態(tài)相變熵及其加快固態(tài)制冷技術(shù)走向應(yīng)用提供了重要科學(xué)價值和指導(dǎo)意義，在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Understanding colossal barocaloric effects in plastic crystals”的學(xué)術(shù)論文（Nat. Commun. 11, 4190 (2020)）。中南大學(xué)為第一完成單位和通訊單位，博士生李芳鏢和李敏老師為論文的共同第一作者，王輝教授為該論文的唯一通信作者。

當(dāng)今高速發(fā)展的社會中，能源是支撐國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)和核心。制冷技術(shù)在多個領(lǐng)域中起到了至關(guān)重要的作用，然而全球每年約25-30%的電能被用于各種各樣的制冷應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的制冷設(shè)備對氟利昂制冷劑的大量使用和對電能的大量消耗，已經(jīng)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境和能源危機問題。基于壓卡效應(yīng)的新型固態(tài)相變制冷，擁有眾多優(yōu)點如無溫室效應(yīng)、綠色環(huán)保低能耗、制造形狀靈活、冷卻系統(tǒng)可以小到單個微芯片、便攜程度高。然而，固態(tài)相變制冷材料的性能主要由等溫熵變所描述，十余年來一直維持在10~50 J kg-1K-1左右且需要較大的驅(qū)動外場，成為限制該技術(shù)走向應(yīng)用的“卡脖子”問題。因此，如何從根本上提高固態(tài)相變制冷材料的性能成為本領(lǐng)域的前沿核心問題，兼具學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值，并為從“傳統(tǒng)氣體壓縮制冷時代”向“固態(tài)相變制冷時代”的歷史性飛躍奠定科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

王輝教授課題組運用密度泛函理論計算、分子動力學(xué)、蒙特卡洛、機器學(xué)習(xí)和高通量集成計算等多尺度方法，對材料的基本物理化學(xué)性質(zhì)進行全鏈條計算、模擬和設(shè)計；旨在構(gòu)建“微觀機制-設(shè)計理念-宏觀物性”內(nèi)在關(guān)聯(lián)的材料數(shù)據(jù)庫，并以此確立優(yōu)化材料綜合性能的最佳方案，加快新材料研發(fā)周期和降低研究成本。迄今，已發(fā)表包括《Nature》2篇，《Nature Materials》，《Nature Nanotechnology》，《Nature Communications》3篇，《Physical Review Letters》4篇等近50篇科研論文成果。