0.5%的石墨烯使塑料晶体实现了38.8°C的超冷现象

《Journal of the American Chemical Society》：0.5% Graphene Slashed 38.8 °C Supercooling in Plastic Crystals

通过添加0.5 wt%石墨烯至Tris，成功抑制38.8°C过冷并提升焓值20.8%。石墨烯通过旋转熵钉扎机制促进分子振动与宏观结构重组协同作用，突破传统成核效率与储能能力的矛盾，为塑料晶体高效固态热管理材料设计提供新策略。

　　

塑料晶体由于其可逆的有序-无序相变，在热管理方面具有很大的潜力，但它们常常面临由于高能量障碍导致的显著过冷现象。我们通过将0.5 wt%的石墨烯掺入三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)中来解决这一挑战，结果实现了38.8°C的过冷抑制，并使焓增加了20.8%。石墨烯的关键作用在于诱导了“旋转熵固定”，从而实现了40.3%的熵减少以及同时的焓增加。这种效应源于方向性旋转的限制和氢键协同作用的晶格重构。利用同步辐射X射线衍射、飞秒红外光谱和分子动力学模拟，我们捕捉了从飞秒分子振动到宏观晶格重组的结构变化。这一进展克服了传统上成核效率与能量存储容量之间的矛盾，使其通用性扩展到了塑料晶体系统乃至固液相变结构中。这些发现提出了一种基于界面限制的旋转动力学模型，为设计超低滞后、高能量密度的材料带来了新的可能性。石墨烯作为成核促进剂和分子有序化模板的双重作用已在其他塑料晶体系统中得到验证，为抑制过冷并增强能量存储提供了一种通用策略，从而推动了塑料晶体向高效固态热调节方向的发展。