他回国加盟上海交大6年6篇Nature、Science正刊！

　　介电材料中同时存在电致伸缩效应和电致伸缩效应。将这两种效果结合起来，就可以实现电热制冷所承诺的轻便、紧凑的局部热管理。尽管有一些数值模型和示意图，但目前的电热冰箱仍然依赖于外部附件来驱动工作体，因此导致设备级冷却功率密度和性能系数(COP)较低。

　　2024年5月8日，上海交通大学钱小石团队在Nature在线发表题为“Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency”的研究论文，该研究报告了一种利用聚合铁电体提供的电热机械协同作用的电热薄膜装置。在一次交流电刺激下，该装置由工作体自身进行热循环和机械循环，形成无外部驱动、自循环的软冰箱。

　　该原型提供了直接测量的冷却功率密度为6.5 W g−1，在零温度范围下的峰值COP超过58。该器件仅为30微米厚的聚合物薄膜，在开放环境中，在4 K的温度范围内实现了接近24的COP(32%的热力学效率)。与被动冷却相比，薄膜冰箱可以立即对电子芯片产生17.5 K的额外温度下降。柔软的聚合物冰箱可以感知、驱动和泵送热量，以提供自动的局部热管理。

　　另外，2023年11月30日，上海交通大学钱小石团队在Science在线发表题为“Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer”的研究论文，该研究报道了一种利用界面增强铁电聚合物中的巨大电热效应的策略。该研究以有机晶体二甲己二醇(DMHD)作为三维牺牲载体，在聚偏氟乙烯基三元共聚物的非均相界面上组装极性构象。蒸发DMHD后，类外延过程产生了一个分布超细、多构象共存的极性界面，具有巨大的构象熵。在低电场条件下，界面增强三元共聚物的熵变达到100 J/(kg·K)。这种界面极化策略一般适用于介质电容器、超级电容器等相关应用。

　　2023年3月1日，上海交通大学黄兴溢及宾夕法尼亚州立大学王庆共同通讯（钱小石为其中的作者）在Nature在线发表题为“Ladderphane copolymers for high-temperature capacitive energy storage”的研究论文，该研究开发了一种用于高温电容储能的阶梯状聚合物。这种阶梯状聚合物在高电场和高温下，电导率比现有聚合物低一个数量级以上。结果表明，该阶梯状聚合物在200℃时的放电能量密度为5.34 J cm−3，充放电效率为90%，优于现有的介电聚合物和复合材料。阶梯状聚合物通过π -π叠加相互作用自组装成高度有序的阵列，从而获得了1.96 ± 0.06 W m−1K−1的内在通平面热导率。聚合物薄膜的高导热性允许有效的焦耳散热，因此，在高温和高电场下具有优异的循环稳定性。该聚合物击穿自愈能力的证明进一步表明了阶梯状结构的应用前景。

　　2023年5月12日，上海交通大学钱小石等人在Science在线发表题为“Fluoropolymer ferroelectrics: Multifunctional platform for polar-structured energy conversion”的综述，该文综述了含氟聚合物铁电体作为极性结构能量转换的多功能平台的最新研究进展。该综述重点介绍了含氟聚合物铁电体及其能量交叉耦合效应的最新进展，以及新兴技术，包括可穿戴、高效机电致动器和传感器、电热制冷和介电设备。通过简单的缺陷偏置，对极化场相互作用进行分子和纳米结构操作，可以增强物理效果，从而实现新兴沉浸式虚拟世界的多感官和多功能可穿戴设备，以及可持续未来的智能系统。据了解，这是Science自1983年发表首篇铁电高分子综述后，40年后再次刊登铁电高分子领域的综述论文。

　　2022年3月24日，宾夕法尼亚州立大学章启明团队（陈昕、Qin Hancheng及钱小石等为共同作者）在Science在线发表题为“Relaxor ferroelectric polymer exhibits ultrahigh electromechanical coupling at low electric field”的研究论文，该研究开发了一种在低电场下具有较高机电耦合系数的柔性弛豫铁电聚合物。在松弛型铁电聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)三元共聚物中引入了少量的氟化炔(FA)单体(2 mol %)，它显著增强了强电磁耦合的极化变化，同时抑制了其他对其没有贡献的极化变化。在40兆伏/米的低直流偏置场下，弛豫四聚合物的电磁耦合系数(k33)为88%，压电系数(d33) 1000皮米/伏。

　　2021年12月22日，上海交通大学钱小石（2018年7月起受聘于上海交通大学机械与动力工程学院）、黄兴溢、洪亮和北京理工大学黄厚兵共同通讯在Nature在线发表题为“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”的研究论文，该研究报告了一类 EC 聚合物，其 EC 熵变化为 37.5 Jkg−1 K−1，在 50 MVm−1下的温度变化为 7.5 K，在相同场强条件下，EC聚合物的熵增加了275%。该研究表明，将聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）三元共聚物中的少量氯氟乙烯基团转化为共价双键显著增加了极性实体的数量并增强了聚合物的极性 - 非极性界面面积。聚合物中的极性相采用松散相关的高熵状态，具有低能垒，用于电场诱导切换。该聚合物在实际 EC 冷却应用所需的低场下保持超过一百万次循环的性能，这表明这种策略可能会产生适用于热量热泵的材料。

　　制冷是人类历史上最伟大的发明之一。目前，空间冷却消耗了全球10%的电力供应，这接近1亿吨二氧化碳作为全球碳足迹的间接输入。同时，由于市场上的大多数热泵仍然使用具有高全球变暖潜能值(GWP)的氢氯氟烃运行，因此不能忽视直接当量CO2排放。2019年，另外43亿吨二氧化碳被释放到大气中，用于加热建筑空间，通过使用高效热泵可以显著减少这一排放量。制冷和热泵技术在100种减少二氧化碳排放的方法中排名第一。

　　与低GWP制冷剂的发展相比，如R290、R1234yf和R744，基于热量效应的固态制冷为实现低碳空调、制冷和热泵提供了独特的机会，这些空调、制冷和热泵以高效的方式运行无全球变暖潜能值的工作体。在不同的一般力，即磁场，电场，电场和机械场的刺激下，发热材料通过利用其各自的固态相变的高可逆性反复吸收和释放热量。其中，电热制冷(EC)直接利用电场对极性绝缘子进行充放电，引起极性有序-无序过渡，从而构建制冷循环。

　　EC材料的电绝缘特性保证不会有持续的能量损失，因此可以实现高能效和低总等效变暖指数，特别是当提供电荷回收电路时。迄今为止，一些电冰箱已经通过使用由聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(P(VDF-TrFE-CFE))聚合物和PbSc0.5Ti0.5O3铁电陶瓷制成的多层电容器进行了演示。这些铁电体表现出超过5k的典型温度变化，以克服器件运行过程中的寄生热损失。

　　该研究报道了一系列使用ECE和电致伸缩的多功能铁电聚合物的平板EC冷却装置。操纵了聚合物铁电体的分子结构，以表现出高性能的ECE和电致伸缩，这可以通过微调来高效地运行制冷循环。这些薄膜冷却装置在没有任何上述附件的情况下运行，并提供实验测量的器件特定CPD超过6.5 W g−1(11.7 W cm−3)，在零Tspan下的峰值COP约为58。在测量设备性能时，考虑了所有设备部件及其相关功耗。在没有特殊隔热的开放环境中，该设备在最大8 KTspan下提供冷却能力(足以用于“空调”可穿戴设备，如果Tspan更大，则会对皮肤不舒服)。

　　在4 KTspan下工作，该装置的直接测量COP为24(超过卡诺COP的30%)，CPD超过2.7 W g−1。进一步展示了几个应用，在这些应用中，EC器件迅速将芯片的温度降低了17.5 K，并由于其薄膜状的柔性特性而在局部运行，作为自适应热管理。这种无配件、自循环的软冰箱实现了EC技术的承诺，也就是说，在传统和其他替代技术过于笨重而无法适应的应用中，它实现了高效、低重量和定制的热管理替代方案。凯时娱乐机电耦合系数氩弧焊调整带对数放大器