纳米工程热电技术实现了可扩展的无压缩机冷却

5月21日发表于《自然·通讯》的一篇论文中，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的研究团队与三星电子的制冷工程师展示了制冷系统热泵效率和容量的提升，这归功于APL发明的高性能纳米工程热电材料——受控分级工程超晶格结构（CHESS）。

CHESS技术是APL十年来在先进纳米工程热电材料与应用开发领域的研究成果。该材料最初为国家安全应用而开发，亦已用于假肢无创冷却疗法，并于2023年荣获研发百强奖。

"这项采用新型热电材料的实际制冷演示展现了纳米工程CHESS薄膜的卓越性能，"联合项目首席研究员、APL热电技术首席专家拉玛·文卡塔苏布拉马尼安表示。"它标志着冷却技术的重大飞跃，为将热电材料进展转化为实用、大规模、高能效的制冷应用奠定了基础。"

固态冷却新标杆

人口增长、城市化进程以及对先进电子设备和数据基础设施日益增长的依赖等多重因素，推动着对更高效紧凑冷却技术的需求。传统冷却系统虽有效，但往往体积庞大、能耗高，且依赖可能有害环境的化学制冷剂。

热电制冷被广泛视为潜在解决方案。该方法利用电子通过特种半导体材料传递热量实现冷却，无需运动部件或有害化学品，使新一代冰箱具备静音、紧凑、可靠和可持续的特性。块体热电材料应用于迷你冰箱等小型设备，但其效率有限、热泵能力低以及与可扩展半导体芯片制造工艺的兼容性问题，历来阻碍了其在高性能系统中的广泛应用。

研究中，科研人员在标准化制冷测试中比较了采用传统块体热电材料与CHESS薄膜材料的制冷模块，在相同商用冰箱测试系统中测量并对比达到不同制冷水平所需的电力。三星电子制冷团队在材料工程师郑成珍（音译）带领下，与APL合作通过精细热力学建模验证结果，量化热负荷和热阻参数，确保在实际工况下的性能评估准确性。

结果令人瞩目：APL团队使用CHESS材料在室温（约80华氏度/25摄氏度）条件下实现较传统热电材料近100%的效率提升。他们进一步将这些材料层面的优势转化为器件层面的突破：采用CHESS材料构建的热电模块效率提升近75%，全集成制冷系统效率提升70%，均显著优于当前最先进的块体热电装置。这些测试均在模拟实际运行的高热泵负荷条件下完成。

规模化构建

除提升效率外，CHESS薄膜技术材料用量显著减少——每制冷单元仅需0.003立方厘米，约一粒沙大小。材料的精简意味着APL的热电材料可利用半导体芯片生产工具大规模制造，从而提高成本效益并推动广泛市场应用。

"这种薄膜技术潜力巨大，可从小型制冷系统扩展至大型建筑暖通空调应用，其发展路径类似于锂离子电池从手机到电动汽车的规模化供电历程，"文卡塔苏布拉马尼安解释道。

此外，CHESS材料采用成熟工艺制成，该工艺广泛用于制造卫星和商用LED照明的高效太阳能电池。

"我们采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备CHESS材料，该方法以其可扩展性、成本效益和大批量生产能力著称，"APL负责MOCVD生长能力的高级研究工程师乔恩·皮尔斯表示。"MOCVD已在商业领域广泛应用，是扩大CHESS薄膜热电材料生产的理想选择。"

除制冷领域的新突破外，这些材料和器件在能源收集与电子应用中持续展现广阔前景。APL计划继续与各方合作优化CHESS热电材料，重点提升效率以接近传统机械系统水平。未来工作包括演示更大规模制冷系统（含冷冻柜），并集成人工智能驱动方法以优化冰箱及暖通设备的分区或分布式冷却能效。

"除制冷外，CHESS材料还能将体温等温差转化为可用电力，"APL研究与探索发展任务区探索计划领域经理杰夫·马拉内基指出。"这不仅将推动新一代触觉系统、假肢和人机交互界面发展，更为计算机至航天器等应用开辟了可扩展能量收集技术的通路——这些能力是传统笨重热电设备无法实现的。"

"此次合作的成功证明，高效固态制冷不仅具备科学可行性，更能实现规模化生产，"APL技术商业化经理苏珊·埃利希强调。"我们期待与企业持续开展研究和技术转移合作，共同推动这些创新成果转化为实用的现实世界应用。"