中科院黑科技：鹽溶液20秒降溫50度，有望取代空調

中科院祭出制冷黑科技，數據中心散熱迎來革命性解決方案。

咱們先說說現在的制冷技術，不管是消費級的空調，還是工業領域的制冷設備，主流都是蒸汽壓縮制冷，原理就是靠制冷機的氣化、液化過程吸放熱。

但這個技術問題不少：一是不環保，制冷機會導致全球變暖；二是效率低，第二定律效率只有40%-60%，提升空間極小；三是結構復雜，有壓縮機、換熱器等部件，會產生噪音和震動。

所以人類一直在探索全新的制冷技術，其中一個很有前景的方向，就是卡路里制冷。

卡路里大家都熟悉，就是熱量的單位，而卡路里制冷主要靠的是固態材料內部的熵變來改變溫度。從熱力學來說，系統總熵能拆成構形熵和熱熵：構形熵是材料原子、分子排列的混亂度，熱熵是原子、分子振動的劇烈程度。

在絕熱情況下，總熵是恒定的，這兩個子熵就會此消彼長——構形熵增加，熱熵就降低；構形熵減小，熱熵就增加。利用這種熵變，就能調節材料吸放環境熱量，這就是卡路里制冷的核心原理。

那怎么觸發材料的熵變呢？方法很多，磁場、電場、壓力、應力都可以，不同材料在不同物理參量變化下，內部熵會跟著變，我們只要針對性找這類材料，用對應的物理變化調控就行。基于不同觸發模式，這類材料分為磁卡、電卡、壓卡、彈卡等，比如壓卡就和加壓、泄壓有關。

而中科院這次的成果，就是壓卡的一種，但不是傳統的固態壓卡，而是液態流體的壓卡，我們叫它溶解壓卡。

具體來說，它用的是硫氰酸這種常見工業鹽，這種鹽溶解到水里時會強烈吸熱，再配合壓力來調控：加壓時，鹽會大量結晶析出，這個過程放熱；突然泄壓時，結晶會瞬間溶于水，大量吸熱，從而實現冷卻效果。

這里有個關鍵優勢：鹽溶液既是制冷劑，又是傳熱介質，不用像固態壓卡那樣單獨裝一套系統搬運熱量，傳熱能力也大幅提升。它的單循環冷卻量高達67焦每克，是固態壓卡的10倍以上。

可能大家還沒完全懂它的工作原理，咱們再詳細說下冷卻的四步流程，比把大象裝進冰箱復雜一點：

第一步，絕熱加壓。這時系統構形熵大幅降低，因為鹽結晶析出，原子分子排列更有序；絕熱狀態下總熵不變，熱熵就會升高。

一方面加壓的機械做功會讓系統升溫，另一方面鹽溶液原本的潛熱，會因為相變（鹽析出是放熱過程，和溶解吸熱可逆）釋放，變成顯熱，導致溫度上升。

第二步，等溫放熱。升溫后的系統會向環境釋放熱量，回到初始的室溫。

第三步，絕熱泄壓。壓力移除后，構形熵大幅增加，鹽重新溶解，熱熵必須降低；而絕熱狀態下，系統只能通過降低自身溫度來實現，所以溫度會驟降。

第四步，等溫吸熱。系統溫度變低后，通過換熱器從芯片等熱源吸收熱量，回到室溫，從而完成冷卻。

當然它也有短板：一是壓力要求極高，實驗中需要600兆帕，相當于6000個大氣壓，即便工程優化后降到200-400兆帕，也需要高強度的氣泵、管道材料和密封設計，成本和可靠性是不小的工程門檻。

二是硫氰酸有一定刺激性和毒性，必須用全封閉系統，對設計是個挑戰。三是長期穩定性有待驗證，雖然實驗室測試良好，但經過數萬次循環后，冷卻效果能否保持，目前還不確定。

這里給大家延伸科普下：咱們平時用的冷敷、保鮮冰袋，核心配方就是硝酸銨和水，混合后大量吸熱，原理和這個技術一致。

鹽類溶解于水的熱量變化，主要看三個過程：一是把固體鹽離子從有序晶格中拽出來，需要克服晶格能，吸熱；二是離子進入水中，破壞水分子的氫鍵網絡，重新排列需要吸熱；三是自由離子被水分子包裹，釋放水合能，放熱。

如果總吸熱大于總放熱，這種鹽就能當冷卻介質。銨鹽的氨根陽離子水合能很弱，放熱少，搭配硝酸根、硫氰酸根這些大陰離子，晶格能大，還能大幅破壞水分子氫鍵網絡，總吸熱明顯，所以很多銨鹽都有冷卻特質。

而硫氰酸銨的優勢更突出：硫氰酸根對水分子氫鍵網絡破壞力極強，吸熱效果明顯；同時它對壓力很敏感，加壓易析出，泄壓易溶解，剛好滿足這種制冷原理。而且600兆帕的壓力，對硫氰酸銨析出來說已經算較低值，只是產業化還需要進一步優化。

最后大家關心，它能用于數據中心散熱嗎？完全可以。

目前數據中心散熱，風冷正在被淘汰，液冷主要是冷板和介電液：冷板循環水或乙二醇，隨著AI芯片功率增加，效果越來越有限；把芯片泡在介電液里效率雖高，但介電液多含氟，成本極高。

中科院這個方案的優勢很明顯：銨鹽成本低，有經濟性；同時作為制冷劑和傳熱介質，鏈路簡單，不用二次回路；溫跨大，高溫下可達50度以上，且秒級響應，遠超現有冷板、介電液10-20度的溫跨和分鐘級的響應速度。

當然，目前還只是原型機，只要在材料和設計上進一步優化，它絕對會成為數據中心散熱的殺手級技術儲備。