20秒降温30℃，中科院开发制冷黑科技，AI算力的新型散热方案来了

从家用空调、冰箱的日常刚需，到工业生产中的冷却工艺、精密仪器的温度控制，再到航空航天的特种制冷需求，制冷技术支撑着全球 25%-30% 的电力消耗。然而，在这个看似成熟的领域，科研人员却长期深陷低碳、大冷量、高换热的“不可能三角”。在热力学第二定律划下的红线面前，人类从未停止过对热力学极限的试探与突围。

近日，中国科学院金属研究所李昺、北京高压研究中心李阔、西安交通大学钱苏昕和中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所童鹏研究团队在 Nature 发表成果。

他们发现了基于硫氰酸铵盐（NH₄SCN）水溶液的“溶解压卡效应”，即硫氰酸铵盐在压力调控下，可通过溶解和析出过程实现高效制冷：加压时盐析出放热，卸压后盐溶解吸热，能在短时间内产生显著温降，室温下 20 秒内降温近 30℃，且兼具低碳、高传热效率的优势，为数据中心等领域的冷却技术提供了新的解决方案。

作为该领域的中坚力量，李昺长期从事新型制冷材料研究。他坚持以大科学装置表征技术为特色手段，以揭示深层次物理内涵为主攻方向，贯通“原理-材料-器件-系统”全创新链。此前，他曾发现并命名了“庞压卡效应”，设计了首个压卡制冷原理样机，并发现了熵变大幅优于原型材料 Gd₃Ga₅O₁₂ 的铁磁性极低温磁制冷新体系。

而这一次，他将目光投向了跨越固液边界的溶液体系。

制冷范式的突围

人类现代制冷文明的基石，长期建立在蒸汽压缩技术之上。这一范式已统治工业界逾百年，其核心逻辑是通过压缩机对气体制冷剂进行周期性的“挤压”与“膨胀”，利用气液相变过程中的潜热来搬运热量。

这种方式虽然通过流体的对流实现了极高的换热效率，但其弊端在“双碳”时代愈发凸显。一方面，广泛使用的氟碳类制冷剂具有极高的全球变暖潜势，对臭氧层和气候平衡构成持续威胁；另一方面，经过百年的工程压榨，气体压缩的能效已逼近物理极限，再难有质的突破。

图 | 不同制冷技术优缺点（来源：上述论文）

为了寻找更绿色的替代方案，科研界曾将目光投向固态制冷技术，如磁卡制冷、电卡制冷、压卡制冷等。这些技术利用磁场、电场或压力驱动固体材料发生相变，从而产生制冷效应。固态制冷拥有巨大的理论能量转换潜力且环境友好，一度被视为下一代制冷技术的希望。

然而，随着研究的深入，固体材料撞上了一堵物理意义上的“南墙”——传热速率的天然瓶颈。

“固体制冷工质材料的换热高度依赖于接触面的热传导，这种方式极其低效。”李昺解释道，“在微观尺度上，固体的声子传热效率远低于液体的对流换热。这导致冷量往往被困在材料核心，无法及时溢出。”

相比之下，冰箱管路中的液体通过流动可以高效传递热量，而固体材料仅能通过静态接触传递。这就形成了一个制冷界的悖论：想要高冷量密度的材料（固体），就得牺牲换热效率；想要高效换热（流体），就得面对传统工质的环保与能效瓶颈。要在基于气液相变、固液相变或固固相变的传统框架内同时实现低碳、高效换热与高能量效率，形成了一个难以逾越的“不可能三角”。

基于此，李昺团队开始探索一种能够同时兼顾传统气体压缩制冷的高效换热与固态制冷技术的无排放及高效率的全新方案。

打破这一僵局的灵感，源于一次在实验室里的意外捕捉。

“其实是一个非常偶然的机会，”李昺回忆起那个时刻，“当时我们在研究硫氰酸铵固体的压卡效应，偶然间意识到该材料的溶解可以吸收大量的热量。”

“这为我们打开了新的思路，既然压力是驱动制冷过程的主要手段，而溶解过程同样可以被压力调控，那么就有可能通过压力驱动溶解与析出的可逆循环来实现制冷。”他补充道。

这一思路也最终引导团队走向了溶液体系的研究。在此基础上，团队提出了“溶解压卡效应”。

在这种新机制中，压力变成了操控溶解度的“开关”。施加压力，溶质像被挤干的海绵一样析出结晶，释放热量；卸压时，晶体迅速重新溶解入水，通过破坏晶格和氢键网络激发出巨大的吸热潜能。

最精妙之处在于，这种制冷工质本身就是液态的。它直接避免了固态制冷中繁琐的“二次换热”过程——在固态制冷中，你需要用水或其他流体去“搬运”固体产生的冷量，这中间产生的界面热阻是效率的“杀手”。而在溶解压卡体系中，制冷工质与换热介质实现了物理意义上的合二为一。冷量在产生的瞬间，就存在于流动的液体中，可以通过循环泵直接输送至终端。

更具优势的是，溶解压卡技术以水为溶剂，水在室温下的比热容是所有常见物质中最大的。这意味着，单位体积的水溶液所能携带（或带走）的热量，比传统气体压缩制冷剂要高得多。因此，在理论上，它能以更少的工质流量实现更强的热传输能力，为系统的高效率和紧凑化设计提供了物理基础。

这种“制冷工质即换热介质”的特性，不仅让系统在室温下实现了高达 26.8 K 的巨大温降，也支撑起该体系高达 77% 的热力学第二定律效率，为高能耗算力中心等尖端散热场景开辟了全新的物理疆域。

图 | 制冷性能评估（来源：上述论文）

实验数据显示，在常压室温环境下，当卸压触发溶质溶解时，溶液的原位温降高达 26.8K（即 26.8℃）。这一数字不仅打破了固体压卡材料的换热温降通常小于 20K 的纪录，更是目前全球已报道的新型制冷材料中的最高值。

通过设计精妙的类卡诺循环，单次循环实现 67 J/g 的冷量密度，即每克溶液可吸收 67 焦耳的热量，冷量输出能力远超传统固态压卡材料，该体系测得的热力学第二定律效率高达 77%，远高于蒸汽压缩制冷（约 30%-50%）和现有固态压卡制冷（约 50%-60%）。

（来源：上述论文）

热力学第二定律效率是衡量实际制冷循环接近理想“卡诺循环”程度的指标。100% 是物理定律的天花板，代表无任何能量浪费。目前，大多数传统冰箱和空调的第二定律效率在 30%-50% 左右。

光谱学与原位高压测试显示，这种溶解与析出的响应几乎是在压力变化的瞬间完成的，无明显滞后。这意味着系统可以在极短的周期内完成温降与升温的循环，满足连续制冷的工业需求。此外，作为一种水溶液，其使用的无机盐成本低廉、稳定性极佳，具备良好的循环稳定性。

瞄准 AI 算力的制冷需求

从 2019 年开始研究固体，到 2021 年第一次观测到溶液降温，再到 2026 年登上巅峰，这是一场跨越数年的科研接力。“这中间换了好几拨人，有学生毕业去国外做博士后了，师妹和职工再接手。”李昺感叹道，科研从来不是孤胆英雄的冲锋，而是漫长的积累与传承。

尽管成果卓著，但李昺对产业化的路径有着极其冷静的判断。

传统的蒸气压缩制冷技术自 1927 年商业化以来，已经走过了整整一百年。在长达一个世纪的极致打磨下，传统家电的工程实现早已逼近理论极限，利润空间更是被压缩到了极致。“传统的制冷大厂生产一台冰箱可能也就挣 10 块钱，”李昺坦言，“对于一个全新的、早期成本必然更高的技术来说，去成熟市场‘拼量’没有优势。新技术落地，必须寻找那些‘非它不可’的高价值场景。”

他将目光锁定了当前最火热也最焦虑的领域——AI 算力中心。

“人类的尽头是 AI，AI 的尽头是电力，电力的尽头是散热。”这句段子在李昺看来却是严肃的行业预警。随着英伟达等巨头将芯片性能推向极致，预计到 2027 年左右，单个 GPU 的发热功率将突破 2 千瓦，在手机大小的空间里集中如此高的发热量，其发热密度已如同一个烧红的电炉。现有的单相/两相液冷或浸没冷却技术已逐渐显得力不从心。

溶解压卡技术则可以通过压力精确控制制冷功率，实现“主动式”冷却。在硫氰酸铵溶液体系中，随着环境温度的升高，溶液的溶解度变大。这意味着在同样压力驱动下，高温环境能激发出更剧烈的溶解/析出反应，从而释放出比低温环境更大的温降潜力。实验数据显示，环境温度越高，该技术的温降幅度反而越大。在 60 至 70℃ 的高温环境下，它能产生高达 50℃ 的温降。

（来源：Pixabay）

面对 AI 服务器散热这一爆发性需求，团队并未止步于论文中的硫氰酸铵体系。

“硫氰酸铵已经表现得很好了，但它更像是一个开启新世界的原型。”李昺透露，实验室目前已经开发并掌握了一系列性能更优、针对性更强的新材料配方库。“在深入研究后，我们意识到溶液体系实际上是一个极其广阔的领域。与固体材料相比，溶液的组合方式更为多样，简单地更换阳离子或阴离子，就可能产生全新的体系。因此，其潜在的‘材料库’可能比固体更为丰富。”

至于效率的进一步提升，李昺认为关键在于溶解与析出过程的反对称性。“如果能通过筛选新体系，降低溶解与析出过程中的动力学滞后，我们的效率还有向上突破的空间。”

尽管如此，从实验室走向工程化仍是一场马拉松。“我们需要进一步降低驱动压力，解决高压环境下的设备小型化，需要在大体积循环中维持溶解的快速响应。”李昺相信，AI 产业对散热的旺盛需求终将倒逼技术转化。

1.Zhang, K., Liu, Y., Gao, Y. et al. Extreme barocaloric effect at dissolution. Nature 649, 1180–1185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10013-1

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