自从1910年首台现代冰箱问世以来，蒸气压缩式制冷技术就一直是主流的制冷手段，今天我们家里的冰箱和空调仍然在使用。这类制冷技术的基本原理很简单：利用制冷剂的汽化过程吸收周围热量，蒸气排出后被压缩、重新冷凝成液体，形成循环。

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蒸气压缩式制冷的效率毋庸置疑，但其造成的气候问题也日渐突出。我们可能会以为，在造成臭氧层空洞的氟利昂被禁用之后，问题已经得到解决。但实际上，目前使用的制冷剂氢氟碳化物仍然是强大的温室气体，温室效应是二氧化碳的数千倍。近年来，各国已通过协议，逐步减少氢氟碳化物的使用。

当氢氟碳化物逐渐退场，除了同样基于压缩式制冷技术的制冷剂，是否还有同样高效并且对环境无害的全新制冷技术成为未来的解决方案？这已经成为全球科学界迫切需要解决的问题。

目前，一些研究团队基于固体材料开发了磁热或电热制冷技术，利用材料在磁场或电场改变时发生的温度变化实现制冷。这些技术展现出一定的前景，但也受到能量效率和制冷潜力的限制。

▲最新研究提出的全新离子热制冷技术，有望避免现有制冷技术造成的气候问题（图片来源：Jenny Nuss/Berkeley Lab）

在一项近期发表于《科学》杂志的研究中，来自加州大学伯克利分校与劳伦斯伯克利国家实验室的Ravi Prasher教授与博士生Drew Lilley 共同提出了一项全新的制冷策略：离子热制冷（ionocaloric refrigeration）。概念足够简单，却展现出改变未来制冷策略的希望。

“制冷剂的未来仍是个未解决的问题：还没有人成功开发出能高效制冷、安全、对环境无害的替代解决方案，”Lilley说，“我们认为，离子热循环具有实现以上所有目标的潜力。”

虽然叫法有些陌生，但离子热的制冷原理我们都很熟悉。人类很早就注意到，冬天道路结冰时，撒盐可以让冰层融化。无论是以前撒的盐，还是现代使用的专业融雪剂，基本原理都一样：含离子的溶液凝固点比纯水更低，因此当离子加入，即使地表温度在零下，水也不会结冰。

同样，全新的离子热制冷策略也是使用盐来实现溶剂（相当于上一个案例中的冰）的相变。当溶剂在固态与液态之间转变，就伴随着热量的吸收与释放。相比于磁热、电热等基于固态的制冷，全新的制冷技术有一项额外的优势：处于液态时，制冷剂更容易离开或进入系统，实现热量的转移。

▲动图展示了离子热制冷的基本原理（图片来源：Jenny Nuss/Berkeley Lab）

在这篇仅有两位作者的论文中，Prasher教授和Lilley阐述了离子热循环的基本原理，并且通过计算指出其制冷效率有望与目前的蒸气压缩式制冷相媲美，甚至胜过后者。

在这项研究中，两位作者还通过一项概念实验验证了离子热制冷的可行性。这项实验用到的盐与溶剂分别是 碘化钠（NaI）和 碳酸乙烯酯（ethylene carbonate）——一种锂电池中常用的有机溶剂。

碘化钠的离子流动可以改变碳酸乙烯酯的凝固点，实现反复的固-液相变：当离子与固态的碳酸乙烯酯结合，就像是在冰上撒了盐，使得碳酸乙烯酯熔化成液体，从周围环境吸收热量；而使用电渗析将碘化钠从混合溶液中移除，碳酸乙烯酯重新凝固结晶，将热量释放。

▲概念实验验证了离子热制冷的可行性（图片来源：参考资料[1]）

在这项概念实验中，实现25℃的降温幅度只使用了不到1伏特的电压，同时制冷效率达到卡诺循环效率的30%。相比于其他制冷技术，带来的温度变化和制冷效率更加突出。

Prasher教授表示，他们在设计时试图平衡3个问题：制冷剂对全球变暖的影响、能量效率，以及设备本身的成本。从初步实验来看，数据在这3个方面都表现出巨大的潜力。

接下来，研究团队将继续基于这一原型开展实验，思考如何拓展以实现更大规模的制冷、进一步提升温度变化以及效率。“我们创建了这个全新的热动力循环，这个框架汇聚了来自不同领域的元素，我们也展示了其可行性。接下来，我们将测试不同材料与技术的组合，从而应对工程上的挑战。” Prasher教授表示。