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。

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。

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。

徐静远：最初，我把它看作一种制冷技术，但现在越来越觉得，它也是一种重新思考“废热”概念的方式。

工业、交通运输、电子设备，甚至太阳能热利用都会产生大量热能，但由于很难高效地转化成有用的能源，其中很多最终没有得到利用。我们的方法提出的问题是，其中一部分热量能否反过来成为制冷的能源。

当然，并不是所有废热都适合这样利用，热源的温度和可获得性都非常重要。但更广泛地说，热并不一定只能被视为一种需要移除和丢弃的东西。在合适的条件下，那些通常被当成问题的热能，可以转化为实现另一种功能的资源。

徐静远：固态制冷提供了一种从根本上重新思考制冷系统构造方式的可能。我们不再压缩和膨胀气态制冷剂，而是利用固体材料内部的可逆相变来产生冷却。

这样可以避免使用制冷剂气体，也有可能制造出更加紧凑、甚至微型化的装置，尤其是在薄膜系统中，因为传统压缩机很难缩小到这样的尺度。固态材料的响应速度也可以非常快，并且能够让制冷装置直接与需要热管理的部件结合起来。

不过，材料本身表现出色，并不意味着它已经能够成为实用的制冷系统。我们仍然需要改善传热、系统效率、制冷温差、耐久性、机械整合、制造工艺以及制冷功率的规模化。在我看来，目前最主要的挑战，是如何把材料层面上已经能够展示出的优异性能，转化成高效、可靠而且可以规模化的制冷系统。

蕭翊庭：看着红外相机和监测系统显示原型机的温度变化，是整个过程中最具决定性的时刻。

我们当时已经做好了一些失败的心理准备，比如热驱动执行器可能无法产生足够大的力，使制冷薄膜完成整个相变过程，或者产生的温度变化太小，根本无法观测。

当我们看到制冷薄膜成功卸载并降温，而且最终产生了可以测量的温差时，我们才真正确认，把这些合金的形状记忆效应与超弹性结合起来，在一个由热驱动的耦合系统中确实能够工作。

蕭翊庭：两个数字各有不同的意义，但造成差距的主要原因是运行频率和传热动态。

运行频率较低时，在换热器没有与薄膜直接接触的时间区段里，会产生热损失。此外，制冷薄膜与换热器之间有限的传热速率，也限制了整个系统最终能够真正利用多少由薄膜产生的冷却潜力。

归根结底，材料层面的数字说明了这种合金薄膜本身所具有的制冷能力，而装置层面的结果则代表系统在实际运行中的表现，也是我们目前正在积极优化的部分。

蕭翊庭：最困难的部分，是让整个系统达到足够快的运行速度。如果加载和卸载速度太慢，或者整个循环的频率太低，产生的升温和降温效应就会被热损失大幅削弱。

在开发过程中，确实有一个阶段让我们觉得这个概念可能无法实现。驱动器薄膜冷却所需要的时间，比我们最初预计的长得多，这给我们带来了很大的困难。

幸运的是，我们后来通过减薄薄膜并降低其表面粗糙度解决了这个问题。这项关键调整大幅改善了系统的动态响应，使它能够以足够快的速度运行，克服热损失，并最终产生可以测量的冷却效果。

蕭翊庭：目前，在外部热源配置下需要 130°C 的温度，这确实会使当前系统更适用于温度较高的废热来源，例如内燃机排气，因为它的温度很容易超过这一范围。

但高功率处理器无法在接近这一温度的条件下运行，因此如果希望利用计算机产生的废热，就需要优化驱动器的几何结构和相变温度，使其适用于更低的温度范围。

无论热源来自汽车发动机还是家用电子设备，设计都需要根据具体应用作出调整，尤其是薄膜的几何形状、有效质量以及整个系统的尺寸。这样的定制非常重要，只有这样才能获取足够的废热能量，提供足够的制冷能力，同时让系统的形态更加适合有限的局部空间，并保持精巧。

徐静远：这项合作结合了形状记忆材料与热力系统方面互补的专业知识。在 KIT，我们主要研究弹热制冷和装置开发，而筑波大学在形状记忆合金及其热机械行为方面拥有很强的专业积累。

把这两种视角结合起来非常重要，因为驱动器、制冷材料和装置必须被当作一个相互耦合的整体来设计，而不能分别进行优化。

徐静远：处理器完全依靠自身产生的热量给自己降温，不可能成为一个自我维持的闭环，因为热力学本身对此有所限制。制冷仍然需要温差，而且最终必须把热量排放到外部热汇中。

真正令我们感兴趣的，是利用来自另一个独立来源的废热，例如工业过程、发动机或太阳能热能，在需要的地方提供冷却。

所以，更广泛的原则并不是问题本身能够完全为自己的解决方案提供能量，而是一个系统中原本会被丢弃的热能，可以在另一个地方成为有用的资源。

徐静远：有，确实发生了变化。我们通常把材料看作被动的东西，但形状记忆合金能够主动响应温度和机械应力的变化。

即使在同一类材料中，我们也可以调节它们的相变温度和性能，使其中一种成为执行器，把热转化为运动，而另一种成为制冷材料，通过机械加载和卸载产生温度变化。

长期研究这些材料改变了我思考工程问题的方式。我们不再只是问，可以用一种材料制造什么装置，也可以进一步问，这种材料本身能够完成什么功能。

徐静远：扩展规模是我们目前最重要的工作方向之一。单片薄膜可以实现非常快速的响应和很高的比制冷功率，但由于质量很小，它能够提供的绝对制冷能力仍然有限。

把多片薄膜并联起来，可以在保留薄膜优势的同时提高制冷功率。主要挑战包括如何实现均匀的机械加载、高效传热、降低损失以及保证长期可靠性。

最终，我们设想的是由薄膜组成的紧凑阵列或堆叠结构，直接集成在电子元件附近，为电子设备提供局部、高功率密度的热管理。

徐静远：如果这种方法能够得到广泛应用，我希望我们不会再把热仅仅看成需要丢弃的东西，而把它看作一种能源资源。

现今，工业、交通运输和其他过程中产生的大量热能最终只是被释放到环境中，而与此同时，我们还要消耗额外的电力来制冷。未来，其中一部分热量或许可以被回收，并用于在需要的地方驱动制冷。

更广泛地说，我希望未来的热系统能够更聪明地回收、再利用和重新分配热能，而不是简单地产生热，再把它丢弃。