更加高效、節(jié)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(xué)》(Science)雜志刊文，報(bào)道了中美科學(xué)家聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的一種柔性制冷新策略——“扭熱制冷”。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，改變纖維內(nèi)部的捻度可以實(shí)現(xiàn)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(shù)制成的“扭熱冰箱”也變得前景可期。
這項(xiàng)成果來自于南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、藥學(xué)院、功能高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)與美國德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校教授、南開大學(xué)楊石先講座教授雷·鮑曼(Ray H.Baughman)團(tuán)隊(duì)的合作研究。
降低溫度一“扭”就行
根據(jù)國際制冷研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上使用空調(diào)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(yīng)用的空氣壓縮原理制冷，其卡諾效率一般低于60%，傳統(tǒng)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(duì)制冷需求的增加，探索新型制冷理論和方案，進(jìn)一步提高制冷效率，降低成本并減小制冷設(shè)備的尺寸，成為當(dāng)務(wù)之急。
天然橡膠拉伸會(huì)發(fā)熱，縮回后溫度會(huì)降低，這種現(xiàn)象叫“彈熱制冷”，早在19世紀(jì)早期就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。但是，要得到較好的制冷效果，需要預(yù)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(shù)，研究人員將纖維狀的橡膠彈性體拉長一倍(100%應(yīng)變)，之后把兩端固定，從一端旋轉(zhuǎn)加捻，使其形成一種超螺旋結(jié)構(gòu)。隨后快速解捻，橡膠纖維的溫度降低15.5攝氏度。
“這一結(jié)果高于使用‘彈熱制冷’技術(shù)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(shí)釋放，該‘扭熱制冷’降溫可達(dá)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(dá)67%，遠(yuǎn)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(jìn)。比如，橡膠質(zhì)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(fù)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(tuán)隊(duì)的一個(gè)重要突破方向。
“有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)，‘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(shí)到這些普通的材料可以用來進(jìn)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(jié)構(gòu)。拉伸該螺旋可以升溫，螺旋縮回后溫度降低。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用“扭熱制冷”技術(shù)，聚乙烯編織線可以產(chǎn)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(nèi)部捻度降低，從而導(dǎo)致能量的變化。”劉遵峰說，這些比較堅(jiān)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(fā)現(xiàn)，將“扭熱制冷”技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)度更大、傳熱更快的鎳鈦形狀記憶合金時(shí)，制冷效果更佳，且只需較低的捻度，就會(huì)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(dá)20.8攝氏度，整體平均降溫也可達(dá)到18.2攝氏度。“這要略高于使用‘彈熱制冷’技術(shù)獲得的17.0攝氏度降溫。一個(gè)制冷周期，只需要30秒左右。”劉遵峰說。
新技術(shù)未來可用于冰箱
基于“扭熱制冷”技術(shù)，研究人員制作了一個(gè)冰箱模型，可對(duì)流動(dòng)的水進(jìn)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(zhuǎn)0.87圈，可以獲得7.7攝氏度的降溫。
“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)距離‘扭熱冰箱’的商業(yè)化依然有很長的路要走，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。”雷·鮑曼說。劉遵峰認(rèn)為，該研究發(fā)現(xiàn)的這種新型制冷技術(shù)，為制冷領(lǐng)域擴(kuò)充了一個(gè)新的板塊。將為降低制冷領(lǐng)域能源損耗提供一種新的途徑。
“扭熱制冷”中的另外一個(gè)特殊現(xiàn)象是纖維不同部位呈現(xiàn)不同的溫度，這是由于纖維加捻產(chǎn)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(huì)發(fā)生可逆的顏色變化。“它可用作新型傳感元件，對(duì)纖維捻度進(jìn)行遠(yuǎn)程光學(xué)測量。比如，通過使用肉眼觀察顏色的變化，就可以知道遠(yuǎn)處的材料轉(zhuǎn)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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