Colossal barocaloric effects in plastic crystals

柔粘性結晶における巨大圧力熱量効果

Li, B.*; 川北 至信  ; 河村 聖子   ; 菅原 武*; Wang, H.*; Wang, J.*; Chen, Y.*; 河口 沙織*; 河口 彰吾*; 尾原 幸治*; Li, K.*; Yu, D.*; Mole, R.*; 服部 高典   ; 菊地 龍弥*  ; 矢野 真一郎*; Zhang, Z.*; Ren, W.*; Lin, S.*; 坂田 修身*; 中島 健次  ; Zhang, Z.*

Li, B.*; Kawakita, Yukinobu; Kawamura, Seiko; Sugahara, Takeshi*; Wang, H.*; Wang, J.*; Chen, Y.*; Kawaguchi, Saori*; Kawaguchi, Shogo*; Ohara, Koji*; Li, K.*; Yu, D.*; Mole, R.*; Hattori, Takanori; Kikuchi, Tatsuya*; Yano, Shinichiro*; Zhang, Z.*; Ren, W.*; Lin, S.*; Sakata, Osami*; Nakajima, Kenji; Zhang, Z.*

冷却は現代社会では、世界における25-30%の電力が空調や食料保存に用いられるように、重要である。従来の気化、圧縮で冷却を行う方法は、温暖化などの観点から限界が来ている。有望な代替手段として固体の熱量効果を用いた冷却方法が注目を集めている。しかしながら、この方法は、現在候補に挙げられている物質ではエントロピー変化の小ささや巨大な磁場を必要とするところなどから性能に限界がある。そこで我々は柔粘性結晶における圧力誘起の相転移で冷却が起こる巨大圧力熱量効果を報告する。柔粘性結晶の一つであるネオペンチルグリコールのエントロピー変化は室温近傍において単位キログラム、単位温度あたり、約389ジュールであった。圧力下の中性子散乱実験の結果から、そのような巨大圧力熱量効果は分子配向の非秩序化、巨大な圧縮率、極めて非線形性の強い格子ダイナミクスの組み合わせに由来することが明らかになった。我々の研究により、柔粘性結晶における巨大圧力熱量効果発現の微視的機構が明らかとなり、次世代の固体を使った冷却技術の確立に筋道を付けることができた。

Refrigeration is of vital importance for modern society for example, for food storage and air conditioning- and 25 to 30% of the world's electricity is consumed for refrigeration. Current refrigeration technology mostly involves the conventional vapour compression cycle, but the materials used in this technology are of growing environmental concern because of their large global warming potential. As a promising alternative, refrigeration technologies based on solid-state caloric effects have been attracting attention in recent decades. However, their application is restricted by the limited performance of current caloric materials, owing to small isothermal entropy changes and large driving magnetic fields. Here we report colossal barocaloric effects (CBCEs) (barocaloric effects are cooling effects of pressure-induced phase transitions) in a class of disordered solids called plastic crystals. The obtained entropy changes in a representative plastic crystal, neopentylglycol, are about 389 joules per kilogram per kelvin near room temperature. Pressure-dependent neutron scattering measurements reveal that CBCEs in plastic crystals can be attributed to the combination of extensive molecular orientational disorder, giant compressibility and highly anharmonic lattice dynamics of these materials. Our study establishes the microscopic mechanism of CBCEs in plastic crystals and paves the way to next-generation solid-state refrigeration technologies.