你小时候玩过这样的暖手宝吗？
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轻轻掰动里面的小铁片，溶液便迅速结晶，并开始发热发烫。使用完放凉了也没关系，放在热水里加热至再次融化，又可以循环使用了！这里面到底是什么神奇液体呢？
“掰掰热”里是什么溶液？
我们都有这样的生活经验：在一定的温度下，我们往一杯水里加糖或者盐，超过一定量，就不溶解了，我们把这种溶液称为“ 饱和溶液 ”。此时能溶解的物质的最大量，我们称为“ 溶解度 ”。溶解度一般随着温度的升高而增大，比方说，这杯水里的糖已经溶解不掉了，但是加热后可以继续溶解。
几种物质的溶解度曲线 | 图源：参考文献[1]
而过饱和状态可以用下图来演示，AB线为“溶解度曲线” （饱和曲线） 。AB线以下为稳定区，无结晶析出。CD线是达到一定饱和后可自发地析出晶体的浓度曲线，称为“超溶解度曲线”。AB线与CD线大致平行，两线之间为介稳区，在此区域内不会自发产生晶核，一旦受到某种刺激，如震动、摩擦、搅拌和加入晶粒，均会破坏溶液的过饱和状态，促使溶液析出结晶，直至达到饱和状态。
过饱和度与结晶的关系 | 图源：参考文献[2]
暖手宝里的液体，其实是醋酸钠过饱和溶液。 醋酸钠在水中的溶解度很大，100毫升60℃的水能溶解130g的醋酸钠。当温度降低时，水对醋酸钠的溶解度降低，溶液变得“过饱和”，这时理应有部分醋酸钠从水中结晶析出，但是晶体结晶需要有结晶中心（晶核），而目前的溶液浓度还不至于自发产生晶核，因此溶液处在一个不稳定的“过饱和”状态。
此时，我们只要小小地“推”它一把——轻捏铁片掰一下， 铁片的弯曲引发微小的压力变化和摩擦，这可以创造出小的晶体形核点，导致附近的醋酸钠快速结晶， 晶体作为新的成核中心不断扩散，很快整个暖手宝都变成了固体，同时放出大量的热。而重新加热时，由于醋酸钠溶解度增加，溶液又重新回到饱和状态，这样就可以循环使用了。
“热冰”实验
宇航员王亚平曾在天宫实验中做过一个 “点水成冰”的实验，实验中所用到的溶液就是醋酸钠过饱和溶液。
只见王亚平将溶液从袋子中挤出来，溶液在失重环境下，因表面张力的作用形成了一个饱满均匀的飘浮的液体小球。接着，她用一根沾有晶核的棉棒触碰了这个小球，液体球迅速结晶，看起来就像一个冰球！但其实， 结晶的过程中释放出了大量的热量，所以这个“冰球”其实是个“热球” 。
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这个实验一般被称为“热冰”实验。笔者在实验室也尝试了一下，可以看出一切都发生得非常迅速，产生的晶体并非如雪花的六芒星形状，而是如松针状向四周辐射。
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相变储热材料
在物理学中，物质有固相、液相、气相，物质从一种相转变为另一种相的过程称为“相变”。自然界中的物质，在一定条件下会发生相变，例如水可以由固相转变为液相，由液相转变为气相，或由固相直接转变为气相。
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在相变的过程中，同时伴随有能量的释放或吸收，而温度基本保持不变 （例如，冰水混合物的温度一直是零度） ，这种在相变时吸收或者释放的热量，我们叫做“潜热”。相变潜热可以很大，比如，将零度的冰融化成零度的水，这个过程需要吸收336KJ/Kg的热量，而这些热量足以将零度的水加热至80℃。
那这些热量能不能为我们所用呢？ 就像充电宝、蓄电池可以把电能储存起来一样，“掰掰热”暖手宝则是把醋酸钠相变时的热能储存起来 ，在合适的时候为我们所用。像醋酸钠这种材料，我们就称之为 “相变储热材料”。
相变储热材料的一个很好的应用案例是在航天器上。我们知道，航天器常常需要面临极热到极冷的温度波动，然而，由于身处太空的真空环境，我们无法通过对流来散热，这种情况下，利用相变材料热控装置来进行热控是比较理想的。
1971年7月26日发射的阿波罗15飞船，首次把一辆月球车 (LRV) 送上月球。 月球车上使用了三套相变材料热控装置 ，其中一个装置是通过导热带将相变材料与信号处理器 (SPU) 、蓄电池组和辐射器连接。月球车每次出动执行任务期间，信号处理器所产生的热被相变材料熔化吸收，月球车返回后，开启辐射器上的百叶窗向太空排散掉相变材料储存的热量，相变材料固化，为下一次出动执行任务做好准备 。月球车上使用的是 一 种 石蜡族的 有机 相变材料，可供选择的熔点范围为-5~66℃。
月球车 | 图源：参考文献[3]
如果建筑领域也能用上这项技术可就太好了，这样我们不就可以住在夏天不热，冬天也不冷的房子里了？在天津大学杨涛课题组的一项研究中， 随着外界温度发生变化，普通墙体的室内温度会发生剧烈变化，而相变墙体的室内温度变化相对稳定 ，其中*高温度约为26℃ （这是因为，相变时温度是不发生变化的） 。当外界温度比较低或比较高时，相变墙体的室内温度比普通墙体的室内温度更加稳定，不仅令人体感到舒适，还可以降低空调或者供暖设备的能耗。
相变墙体与普通墙体的温度调节对比 | 图源：参考文献[4]
相变储热材料在建筑领域也有了实际的应用。北京冬奥会和冬残奥会期间，利用 纳米复合相变储能材料 在张家口赛区山地转播中心建成了模块化相变储热——谷电清洁供暖示范工程，解决了在极寒天气及复杂山地结构条件下，以清洁能源为建筑供暖的难题。该工程总供暖面积为8000平方米，圆满完成了 冬 奥 会期间 为山地转播中心供暖的保障任务。
冬奥会和冬残奥会使用的相变储能箱 | 图源：参考文献[5]
近年来，全球变暖的现实正不断地向世界各国敲响警钟。如何降低能耗，更加经济合理地利用能源？储能技术被视为一种合理、高效、清洁利用能源的重要手段，而作为其核心的相变储能材料，也受到业界的高度重视。相变的温度是否可以调节？怎样让相变材料既好用，又不会破坏环境？这些都是我们在未来需要解决的问题。
参考文献
[1] 王华，王胜林，饶文涛. 高性能复合相变蓄热材料的制备与蓄热燃烧技术，冶金工业出版社，2006;
[2]侯增祺,胡金刚. 航天器热控制技术：原理及其应用, 中国科学技术出版社, 2007;
[3] 15 Lunar | The ，网址：https://www..org//
[4] YANG T.The application of nanocapsule phase change material in theconstruction of civil engineering[J].Arabian Joumal of Geosciences,2021,14(11) do10.1007/s12517-021-07296-9;
[5] 赵合瑾,万贤,路佳慧等.相变储能材料在建筑领域的发展和应用[J].中国塑料,2023,37(11):46-61.DOI:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.006;
作者： 邵伟
策划&编辑：rain
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来源：上海科技馆
编辑：紫竹与
