September 20, 2026

用热制造冷 徐静远（Jingyuan Xu）。图片由徐静远提供 蕭翊庭（Yi-Ting Hsiau）。图片由蕭翊庭提供 徐静远（Jingyuan Xu）与蕭翊庭（Yi-Ting Hsiau）谈一种受热时产生运动、释放时降温的金属，以及一台以同一种金属薄片作为动力核心的冷却系统 编者按 世界上大多数冰箱和空调的工作方式，与一个世纪前并没有太大不同。电机压缩气体，气体升温并将热量释放到室外，随后膨胀、降温，再把冷量输送到需要的地方。这种方法可靠，而且无处不在：供暖与制冷加在一起，占全球能源消耗的近一半。但它也有两项代价。一是需要电力，二是依赖制冷剂气体，而这些气体一旦泄漏，其中一些会产生极强的温室效应。我们为了让房间变凉，却也在让地球变暖。 大约十五年来，一小群研究人员一直在寻找一种完全不需要气体的替代方案。某些金属在被拉伸后释放时会降温。任何拉过橡皮筋，再把它贴在嘴唇上的人，都曾体验过这种效应的微小版本：拉伸时橡皮筋变暖，松开后变凉。在镍钛合金中，这种效应要强烈得多，因为对金属施加载荷与卸载，会使其晶体结构在两种排列之间来回转换，而每一次转变都会吸收或释放热量。这就是弹热效应，以此为基础的装置已经能够实现真正的制冷。不过，到目前为止，弹热制冷设备仍然依靠电力驱动的机械装置来施加所需的载荷。 镍钛还有另一种广为人知的特性。低温时被弯曲变形，受热后却会恢复原来的形状。这就是形状记忆效应，它与弹热效应来自同一种晶体结构转变，只不过驱动转变的不再是力，而是温度。正是这种特性，使一根受热的金属丝能够提起重物，也使镍钛合金被用于血管支架和眼镜框。 德国卡尔斯鲁厄理工学院热工程研究团队负责人徐静远（Jingyuan Xu）与她的博士研究人员蕭翊庭（Yi-Ting Hsiau），和日本筑波大学的合作者一起提出了一个问题：如果把这两种特性结合起来，会发生什么？ 一片厚度仅为 22 微米的镍钛薄膜受热后，凭借对原有形状的“记忆”产生拉力。这股拉力会拉伸第二片薄膜，后者由含有少量铁的镍钛合金制成，并经过调节，使其在室温下保持超弹性。当第一片薄膜冷却并松弛时，第二片薄膜随之卸载，于是温度下降。热量从一端输入，冷量从另一端产生，两者之间没有任何电力驱动的机械装置。 他们的原型机研究近期发表于 Nature Energy。最初的实验中，研究人员用电流将驱动薄膜加热到 86°C，以此作为一个可控热源。在这种条件下，制冷薄膜本身产生了接近 13°C 的温度变化，整个装置的冷热两端则形成了 4°C 的温差。随后，研究团队用 130°C 的外部热源取代电流，装置依然能够运行，并产生 2.2°C 的温差。第二次实验才是真正关键的证明：仅仅依靠热，就能制造出冷。 目前，原型机所实现的温差仍然有限，研究人员对此也毫不回避。但真正不容忽视的是这一结果背后的思路。工业、计算和交通运输所消耗的大量能源，最终都会变成我们并不需要的热，而我们随后还要消耗更多能源把这些热量移走。如果一台装置能够把热本身作为制冷的能源，那么它提出的其实是另一个问题：所谓“废热”，究竟是热本身的一种属性，还是我们现有系统安排方式的结果？我就其中的物理原理、原型机第一次真正运行的那一天，以及当一种材料似乎能够自行“运作”时，我们该如何理解它，与徐静远和蕭翊庭进行了访谈。 对话 Our Narratives弹热制冷已经研究了多年，而以往所有方案中，为形状记忆合金施加载荷的力都来自电机。你第一次想到，电机本身也可以是另一种由热驱动的形状记忆元件，是什么时候？有没有某个具体的时刻或一次谈话促成这个想法，还是它逐渐形成的？ 徐静远：这个想法来自对热力学循环可逆性的思考。弹热制冷利用机械功驱动可逆相变并产生冷却，这让我开始思考与之互补的过程：我们能不能利用温差来驱动相变并产生机械功，也就是制造一种固态热机？ 接下来很自然地出现了另一个问题：如果一个循环可以把热转化为机械功，而另一个循环又可以把机械功转化为冷却，为什么不把两者直接连接起来？这成为我们系统最初的概念来源：一片形状记忆薄膜把热转化为运动，而这种运动再驱动第二片形状记忆薄膜产生冷却。 所以，我们的想法并不只是用别的东西取代电机，而是把两个互补的热力学循环连接起来，让一个循环的输出成为另一个循环的输入。 Our Narratives镍钛合金有两种广为人知的特性，一种是受热时产生运动的形状记忆效应，另一种是卸载时产生冷却的弹热效应。你们的系统让一片薄膜完成前一种功能，另一片完成后一种功能。你一直把它们看作同一种材料的两个面向吗？还是后来才形成这样的理解？ 徐静远：是的，我一直认为它们是同一种材料物理机制的两个面向。形状记忆效应和弹热效应都源于镍钛合金中可逆的马氏体相变，区别只在于我们如何驱动和利用这种转变。 在一种情况下，温度变化可以产生机械运动；在另一种情况下，机械加载和卸载则可以产生温度变化。正是这种双重性启发我们把两种功能结合起来，同时针对不同作用和不同相变温度，对两片薄膜分别进行调节。一片作为热驱动执行器，另一片作为制冷材料。 对我来说，这套系统最巧妙的地方在于，它并不是把两个彼此无关的现象拼接起来，而是在以两种互补的方式利用同一种基础物理机制。 Our Narratives用热制造冷，中间却没有电机，听起来几乎有些矛盾。如果面对一个直觉上认为这不可能的人，你会怎样解释其中的热力学原理？制冷所需要付出的“代价”究竟在哪里？ 徐静远：听起来或许有些矛盾，但从热力学角度看，它与其他热驱动制冷技术其实很相似。关键在于，足够高温的热能因为与周围环境之间存在温差，因此具有转化为有用功的潜力。 在我们的系统中，热首先驱动形状记忆驱动器发生相变，将一部分热能转化为机械功。随后，这些机械功直接传递给弹热薄膜，驱动制冷循环。 所以，制冷当然不是免费的。它所付出的“代价”来自提供给驱动器的热量，归根结底来自可利用的温差。我们的方法比较特别之处在于，通过两种相互耦合的固态材料直接完成这种能量转换，不需要先把热转化成电，也不需要电机驱动。 热驱动配置下的装置。左侧，镍钛驱动薄膜由热源加热并产生拉力；右侧，镍钛铁制冷薄膜被拉伸并释放，从而降温。插图显示带翅片的铜散热器，以及用于模拟废热的小型加热器。改编自 Hsiau 等，Nature Energy（2026），doi:10.1038/s41560-026-02122-6，CC BY 4.0。 Our Narratives制冷与供暖占全球能源消耗的近一半，而工业、计算和交通运输产生的大量热量最终只是被排放掉。你把自己的研究优先看作一种制冷技术，还是一种重新定义什么才算“废弃物”的方式？