1802 年，約翰·高夫（John Gough）開創性地撰文描述了這樣一種奇特的現象：迅速拉伸一塊天然橡膠，橡膠突然變得溫暖;隨后橡膠放松時，又產生涼爽感----這就是彈性熱量效應（elastocaloric effect），表示某些材料在外部觸發因素下，如拉伸、擠壓、磁場或電場等，會產生溫度的變化。

實際上，在過去的幾十年中，研究人員發現了越來越強大的熱量材料，推動或擠壓這類新型材料，它們將經歷破紀錄的溫度變化，因此有望成為制造環保的冰箱和空調的關鍵所在。因為由熱量材料制出的冷卻裝置，不會泄漏有害的制冷劑，而制冷劑對環境的危害可能是溫室氣體的數千倍。

變形擠壓式冷卻器的關鍵--熵變在高夫的實驗中，拉伸橡膠時實際上將里面的長長分子排成了一行。這種對齊方式減少了系統中的分子混亂程度----而“熵”就被用來衡量這種混亂。也就是說，橡膠內分子變得更加整齊，其熵就降低了。

根據熱力學第二定律，一個封閉系統的總熵必須增加，或至少保持恒定。因此，如果高夫使用的橡膠分子結構的熵降低了，那么其他位置的熵必須增加。

在高夫的實驗中，分子的振動運動會使熵增加。這種分子的加速運動會表現出隱藏的熱，稱為潛熱（latent heat）。如果橡膠拉伸得足夠快，則潛熱會留在材料中，材料本身的溫度就會升高。

目前來看，許多材料至少具有輕微的彈性熱量效應，在擠壓或拉伸時會略微升溫。但是要達到足以在冷卻系統中使用的溫度變化，材料則需要更大的熵變。形狀記憶合金的關鍵--相變顯然，效果更好的冷卻設備需要更好的熱量材料。迄今為止，最好的彈性材料是形狀記憶合金（shape memory alloys）。它們由于相變（phase change）而產生熱量變化，相變指的是：物質從原有狀態轉變為其他氣、液、固態而不引起化合物本質改變，例如液態水凍結成冰的過程。

形狀記憶合金有一個狀態是呈翹曲狀并保持。但是，如果提高熱量，合金的晶體結構將轉變為更剛性的狀態，并恢復為原本的形狀（因此被稱為形狀記憶合金）。

而形狀記憶合金在產生相變時，其晶體結構的轉變就會引起熵變。在像鎳鈦這樣的形狀記憶合金中（鎳鈦是能表現出最大的彈性熱效應的材料之一），其剛性狀態的晶體結構呈正方體，而柔韌狀態的晶體結構則呈鉆石狀的菱形立方體。

菱形立方體比正方體具有更少的可能構型。想一想，如果旋轉四個可能的角度（90、180、270 或 360 度），正方體都將保持不變。而菱形立方體，只有經過兩次旋轉（180 度和 360 度）后才會看起來相同。

鎳鈦形狀記憶合金受力時的相變、熵變、溫度變化

因此，菱形立方體的熵較小。當外力作用于處于剛性狀態的合金時，它會轉變為易彎曲的低熵狀態，從而使材料溫度升高。若要將這種材料應用于空調或冰箱中，則必須在迅速散發熱量的同時，將合金保持在柔韌低熵的狀態。

相關材料與研究進展早在 2012 年，馬里蘭大學的材料科學家 Ichiro Takeuchi 及其同事就測得，鎳鈦絲的溫度變化可達 17 攝氏度。三年后，盧布爾雅那大學的 JakaTu？ek 等人也發現類似的金屬絲，溫度變化可達 25 攝氏度。

去年，北京科技大學一個研究小組發現了一種新型的鎳錳鈦形狀記憶合金，據說可達到 31．5 攝氏度的巨大溫度變化。巴塞羅那大學的固態物理學家 Antoni Planes 說：“這是迄今為止性能最好的材料。”

是什么讓它如此優越呢？在相變過程中，鎳錳合金會收縮。因為體積對應于材料的可能分子構型的數量，所以體積的減小可以導致進一步的熵降。Planes 說：“這一額外的優點使這種材料變得有趣。”

另一種有趣的材料則是塑料晶體——新戊二醇（neopentylglycol）。這種材料柔軟易變形，其分子松散排列在三維晶格中。它們之間的相互作用很小，可以旋轉到大約 60 個不同的方向。但是當施加足夠的壓力時，分子的可能構型變少，材料的熵就下降。

去年，有兩個團隊取得了有史以來最大的氣壓熱量效應（barocaloric effects）。其中一個團隊報告的熵變為 500 J / kg / K，這是固體材料有史以來發現的最大熵變，與商業流體制冷劑的熵變量相當。其計算出的相應溫度變化至少為 40 攝氏度。另一個團隊則屬于中國沈陽材料科學國家實驗室，報告說其熵變達到 389 J / kg / K。

但是對該領域的研究仍然存在許多實際挑戰。一方面盡管氣壓熱量材料比彈性熱量材料不易疲勞，但需要數千大氣壓的巨大壓力。另一方面，施加這樣的壓力之前還需要將材料密封。Tu？ek 說：“如果密封整個系統，則材料與周圍環境之間進行熱交換會變得很困難。”

相比之下，Planes 和他的長期合作者 Lluís Ma？osa 則專注于對多種刺激（例如同時施加力和磁場）做出反應的多重熱量法。多熱量設備可能會更復雜，但是多重刺激可能會以更高的效率驅動更大的熵變和溫度變化。

Planes 說：“這一領域的前景一片光明。但是目前我們才剛剛起步。”
責編AJX