近日，我院蒋建中、石仁海团队在国际权威期刊《Acta Materialia》上发表题为“面向压卡效应预测的闭环多尺度计算框架：熵分解与相变机制”的最新研究成果。研究团队构建了融合准谐热力学建模、密度泛函理论和分子动力学的闭环多尺度ICME框架，实现了对金属镁高压下hcp-bcc相变及其压卡效应的自洽预测。研究发现，相变熵变中振动熵贡献占约89.5%，电子熵贡献约9.6%，来源于费米能级附近态密度增强，组态熵变几乎可忽略。研究表明，单一尺度计算方法无法兼顾热力学一致性、原子机制与相变动力学的综合需求，必须发展闭环多尺度计算策略，为高性能压卡材料的理论预测开辟新路径。
压卡效应是固态制冷技术替代传统蒸汽压缩循环的核心机制。当前制冷技术面临制冷剂温室效应和高热流密度散热双重瓶颈，而固态制冷技术因其环境友好和高效率潜力成为前沿方向。然而，金属压卡材料的高效预测设计仍面临一级相变过程中晶格、电子和热力学自由度复杂耦合的挑战。传统CALPHAD建模缺乏原子机制信息，第一性原理计算受限于体系尺度，分子动力学缺乏热力学一致性。针对上述问题，研究团队以镁为模型体系构建了闭环多尺度框架。镁的优势在于相变无磁性干扰、高热导率（~156 W m⁻¹ K⁻¹）和高压缩性，这些特性使振动熵与电子熵贡献能够叠加。
研究团队通过优化的CALPHAD模型将精度从40.39%提升至97.46%，计算获得镁在近室温下最大等温熵变约76.4 J kg⁻¹ K⁻¹，压卡强度约2.6 J kg⁻¹ K⁻¹ MPa⁻¹，远高于多数已报道金属压卡材料。AIMD和MD模拟揭示，bcc相在低频区积累更多软声子模式增强振动熵，费米能级附近态密度约为hcp相三倍贡献电子熵变（约7.66 J kg⁻¹ K⁻¹），而两相局域结构相似性导致组态熵变极小（约0.66 J kg⁻¹ K⁻¹）。相变遵循剪切耦合的Burgers路径，建立了晶格动力学与宏观熵变的原子层面关联。基于上述发现，研究提出了金属压卡材料的设计原则：高晶格压缩性、强振动熵贡献、有利电子结构特征及最小化竞争熵贡献。制冷性能评估表明，随压力变化增加，制冷量单调增加而性能系数逐渐降低，二者存在内在权衡。
相关研究成果发表于《Acta Materialia》122594 (2026)，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122594。本研究建立了“相变热力学-原子机制-转变动力学”闭环自洽理论框架，为金属压卡材料的多尺度设计与性能优化提供了可推广的计算策略。
