随着气温飙升，空调开启。冷却需要消耗大量能源——这会给电网带来压力，并增加仍然依赖化石燃料的国家的排放量。

全球近 20% 的电力用于冷却建筑物。如果不加以控制，到 2035 年，这个数字可能会增加两倍。一个解决方案：开发技术以提高冷却效率。

太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员正在开发一种替代冷却技术，该技术使用吸附（带有“d”）——通过吸附材料吸附和释放制冷剂化合物。为了寻找各种纳米多孔材料作为吸附剂，研究人员转向了共价有机聚合物 (COP)。COP 可以吸附比现有最佳替代品多三倍的制冷剂，从而实现更高效的冷却。

但是关于这个最近的发现是如何产生的故事有点出乎意料。材料中的小缺陷以完全不完美的方式增加了吸附。

更高效的冷却

世界上的一些重大发现是偶然发现的，例如尼龙、微波炉的发明，甚至防碎玻璃。在冷却的情况下，一些小故障导致了大洞察。

在过去十年中，PNNL 实验室研究员 Pete McGrail 和 Motkuri 及其团队一直在研究能够更有效地吸附其吸附冷却技术中使用的常见制冷剂的材料。他们在设计不同类型的承载制冷剂的多孔材料方面取得了长足的进步。但他们认为其他纳米多孔材料可能存在未开发的潜力，包括 COP。

随着气候问题的持续增长，找到减少能源消耗的方法，例如通过替代和更有效的冷却，绝对是必须的，麦格雷尔说，这项研究建立在我们 2017 年 R&D 100 获奖冷却技术的基础上。

聚合物用于各行各业，从洗发水到宇航服。它们可以与其他元素结合以达到不同的目的——例如，当与碳结合时，它们可以变成聚酯和尼龙。

该团队测试了 23 种不同的 COP，以了解它们在吸附冷却或制冷方面的潜力。大多数吸附容量低，这意味着它们不能再吸附并达到最大值。但是，有两个没有——吸附增加了。并不断攀登。

当我们测试吸附能力时，我们认为仪器有问题。速率远高于我们的预期，Motkuri 说。

于是，他们又试了一次。他们得到了相同的结果。两种化合物，称为 COP-2 和 COP-3，具有极高的吸附能力。它们是如此之高，以至于超出了研究人员的预期。因此，Motkuri 联系了法国的合作者、蒙彼利埃大学的 Guillaume Maurin，他在分子模拟方面具有专业知识，以预测这两种聚合物的吸附。

COP-2 和 COP-3 就像一个紧身衣，是碳和氮的化学环，全部堆叠在一起。他们不得不拆开每一层的包装，看看它是如何影响吸附的。

奇怪的是，模拟的 COP-2 和 COP-3 结构模型并没有导致他们在实验室工作台上看到的吸附水平。在模拟中，吸附趋于稳定。然而，在实验室中，它呈指数级攀升。

那时我们意识到发生了其他事情，Motkuri 说，而且，我们的团队有个主意。根据先前的工作，研究人员知道小缺陷在吸附中起着有趣的作用。如果我们在模拟中为这些 COP 结构模型添加缺陷会怎样？

不属于缺陷的缺陷

Maurin 和他的团队使用模拟通过去除环上的一些化学特征在材料中产生小孔或缺陷。

那时我们看到了神奇的事情发生，Motkuri 说。吸附增加，对高度缺陷聚合物的吸附与实验室结果一致。

他们发现战略缺陷增强了 COP 的吸附，这解释了他们在实验室中看到的吸附率增加。

我们在实验室测试的两个 COP 一开始就存在缺陷，Maurin 说，有时事情会成功，即使有点出乎意料。

为什么高效冷却对气候如此重要？

在炎热的夏日，降温不仅仅是为了舒适。极端高温是一种致命的健康危害。随着全球气温升高，一些人口稠密的地区可能会变得太热而无法在一年中的某些部分居住。

此外，未来的电力需求预计会攀升，而空调已经消耗了大量能源。根据国际能源署的数据，2019 年，美国 8.5% 的电力消耗来自空调。在全球范围内，随着冷却系统数量的增加、人口的增长和收入的增加，电网可能会不堪重负，从而使更多人能够负担得起空调。

这在能源不是来自绿色来源的地区变得尤为重要。在目前不太常见的国家，如印度尼西亚或印度，空调预计将大幅增加。

高性能空调可以将制冷的能源需求减少一半。开发推动更高效冷却的技术是一个关键目标，特别是因为冷却所需的能源预计将在未来 30 年增加两倍。开发更高效冷却的技术有助于缓解迅速变暖的世界中的挑战。