更加高效、節能、綠色、便攜的制冷方式是人類不懈探索的方向。近日，在線出版的《科學》(Science)雜志刊文，報道了中美科學家聯合研究團隊發現的一種柔性制冷新策略——“扭熱制冷”。研究團隊發現，改變纖維內部的捻度可以實現降溫。由于制冷效率更高、體積更小且適用于多種普通材料，基于該技術制成的“扭熱冰箱”也變得前景可期。
這項成果來自于南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、藥學院、功能高分子教育部重點實驗室劉遵峰教授團隊與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校教授、南開大學楊石先講座教授雷·鮑曼(Ray H.Baughman)團隊的合作研究。
降低溫度一“扭”就行
根據國際制冷研究機構的數據統計，目前世界上使用空調和冰箱制冷消耗的電能約占全球電能損耗的20%。如今被廣泛應用的空氣壓縮原理制冷，其卡諾效率一般低于60%，傳統冰箱制冷過程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。隨著人類對制冷需求的增加，探索新型制冷理論和方案，進一步提高制冷效率，降低成本并減小制冷設備的尺寸，成為當務之急。
天然橡膠拉伸會發熱，縮回后溫度會降低，這種現象叫“彈熱制冷”，早在19世紀早期就已經被發現。但是，要得到較好的制冷效果，需要預先將橡膠拉伸至自身長度的6到7倍，然后縮回去。這意味的制冷需要很大的體積。而且，目前“彈熱制冷”的卡諾效率比較低，通常只有約32%。
而通過“扭熱制冷”技術，研究人員將纖維狀的橡膠彈性體拉長一倍(100%應變)，之后把兩端固定，從一端旋轉加捻，使其形成一種超螺旋結構。隨后快速解捻，橡膠纖維的溫度降低15.5攝氏度。
“這一結果高于使用‘彈熱制冷’技術的降溫：拉長7倍的橡膠收縮降溫為12.2攝氏度。而如果既把橡膠加捻又伸長，然后同時釋放，該‘扭熱制冷’降溫可達16.4攝氏度。”劉遵峰說，獲得相同降溫效果的情況下，“扭熱制冷”的橡膠體積僅為“彈熱制冷”橡膠的七分之二，其卡諾效率卻可達67%，遠高于空氣壓縮原理制冷。
釣魚線、紡織線也能制冷
研究人員介紹，橡膠作為“扭熱制冷”材料，還有很多空間可以改進。比如，橡膠質地較軟，需要捻很多圈才能獲得比較明顯的降溫，其傳熱速度較慢，還需要考慮材料的反復使用、耐久性等問題。因此，探索其他“扭熱制冷”材料成為研究團隊的一個重要突破方向。
“有趣的是，我們發現，‘扭熱制冷’方案也適用于釣魚線、紡織線。之前，人們并沒有意識到這些普通的材料可以用來進行制冷。”劉遵峰說。
研究人員先將這些剛性高分子纖維加捻并形成螺旋結構。拉伸該螺旋可以升溫，螺旋縮回后溫度降低。
實驗發現，使用“扭熱制冷”技術，聚乙烯編織線可以產生5.1攝氏度的降溫，而直接拉伸并釋放該材料卻幾乎觀察不到溫度變化。“這種聚乙烯纖維的‘扭熱制冷’原理是在拉伸—收縮過程中，螺旋內部捻度降低，從而導致能量的變化。”劉遵峰說，這些比較堅硬的材料，比橡膠纖維更為耐久，而且在拉伸很短的情況下，降溫幅度也超過橡膠。
研究人員還發現，將“扭熱制冷”技術應用于強度更大、傳熱更快的鎳鈦形狀記憶合金時，制冷效果更佳，且只需較低的捻度，就會獲得比較大的降溫。
例如將四根鎳鈦合金絲放在一起加捻，解捻后最大降溫可達20.8攝氏度，整體平均降溫也可達到18.2攝氏度。“這要略高于使用‘彈熱制冷’技術獲得的17.0攝氏度降溫。一個制冷周期，只需要30秒左右。”劉遵峰說。
新技術未來可用于冰箱
基于“扭熱制冷”技術，研究人員制作了一個冰箱模型，可對流動的水進行降溫。他們使用三根鎳鈦合金絲作為制冷材料，每厘米旋轉0.87圈，可以獲得7.7攝氏度的降溫。
“這項發現距離‘扭熱冰箱’的商業化依然有很長的路要走，機遇與挑戰并存。”雷·鮑曼說。劉遵峰認為，該研究發現的這種新型制冷技術，為制冷領域擴充了一個新的板塊。將為降低制冷領域能源損耗提供一種新的途徑。
“扭熱制冷”中的另外一個特殊現象是纖維不同部位呈現不同的溫度，這是由于纖維加捻產生的螺旋沿纖維長度方向的周期性分布所致。研究人員將鎳鈦合金絲表面涂上熱致變色涂料，可以制成“扭熱制冷”變色纖維。在加捻和解捻的過程中，該纖維會發生可逆的顏色變化。“它可用作新型傳感元件，對纖維捻度進行遠程光學測量。比如，通過使用肉眼觀察顏色的變化，就可以知道遠處的材料轉了幾圈，這是一種非常簡易的傳感器。”劉遵峰說，基于“扭熱制冷”原理，一些纖維也可用于智能變色織物。(陳 曦 通訊員 吳軍輝)
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