[科普中國]-神奇！扭一扭就能制冷

在10月11日在線出版的《Science》上，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室、藥學(xué)院、功能高分子教育部重點實驗室的劉遵峰教授與美國德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校（UT Dallas）的Ray Baughman教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊報道了一種柔性制冷新策略—“扭熱制冷”。該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，**對纖維加捻可以發(fā)熱，而解捻可以獲得很明顯的降溫。**由于制冷效率更高、體積更小且適用于天然橡膠、釣魚線以及鎳鈦合金等多種普通材料，基于這種方法制成的“扭熱冰箱”前景可期。

圖片來源：論文截圖

為了你能吹上空調(diào)吃上雪糕，科學(xué)家操碎了心

夏天，很多人都會感慨，“這條命就是空調(diào)給的”。根據(jù)國際制冷研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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%，并且耗電量隨地球變暖和發(fā)展中國家制冷的需求增加將繼續(xù)增加。目前空調(diào)制冷廣泛應(yīng)用的是空氣壓縮原理，其卡諾效率，卡諾循環(huán)(可逆循環(huán))下熱機(jī)高溫和低溫之間工作的效率，一般低于60%。另一方面，傳統(tǒng)的冰箱在制冷過程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。

除此之外，目前還有其他的制冷技術(shù)。如橡皮筋拉長會發(fā)熱，縮回來溫度降低，這種現(xiàn)象叫做彈熱制冷。還有電熱制冷、磁熱制冷、以及鎳鈦合金形狀記憶材料等新型制冷方案，比如車載小冰箱就使用了電熱制冷技術(shù)。**但是這些制冷技術(shù)的卡諾效率均未超過空氣壓縮制冷技術(shù)。**基于天然橡膠的“彈熱制冷”早在十九世紀(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)先將橡膠拉伸到很長的尺寸，這對空間大小會有很高的要求。

隨著人類對制冷需求的增加，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。

扭一扭就能實現(xiàn)制冷？靈感怕不是來源于“麻花”

“扭熱制冷”中，對橡膠纖維加捻會生成不同的結(jié)構(gòu)：從左至右分別是加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋。橡膠直徑：2.5 mm，預(yù)拉伸應(yīng)變：200%。

（圖片來源：Science, 2019, 366, 216，圖片背景被移除。）

**通過“扭熱制冷”技術(shù)，人們只需要解捻就可以實現(xiàn)制冷。**初步的實驗證實，‘扭熱制冷’技術(shù)的卡諾效率可以達(dá)到67%。這意味著，通過使用橡膠、釣魚線等普通材料進(jìn)行制冷，有望獲得更高卡諾效率，從而節(jié)省更多電能，降低制冷成本。

使用橡皮筋進(jìn)行“彈性制冷”，需要將其拉伸至自身長度的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“彈性制冷”的卡諾效率比較低，通常只有約32%。能否開發(fā)出新的方法進(jìn)行制冷，來提高效率、減小體積是困擾科研人員的難題。

研究人員將纖維狀的橡膠彈性體兩端固定，然后從一端旋轉(zhuǎn)加捻，使其形成一種超螺旋結(jié)構(gòu)。將橡膠纖維拉長一倍（100%應(yīng)變），隨后快速釋放。研究人員發(fā)現(xiàn)，該橡膠纖維的溫度可降低15.5攝氏度。這比使用‘彈熱制冷’技術(shù)的降溫要省體積，并且制冷效果更好。拉長7倍的橡膠收縮降溫為12.2攝氏度。如果將伸長和加捻均釋放，該‘扭熱制冷’法降溫可達(dá)16.4攝氏度。獲得相同降溫效果的情況下，“扭熱制冷”的體積僅為“彈熱制冷”的2/7，“扭熱制冷”的卡諾效率可達(dá)67%。

“扭熱制冷”過程中，天然橡膠纖維顯示的溫度變化。橡膠直徑為2.2mm。

（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）

釣魚線也能制冷？效率還挺高

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)隊的一個重要突破方向。

有趣的是，研究者們發(fā)現(xiàn)，**‘扭熱制冷’方案也適用于釣魚線、紡織線。**之前，人們并沒有意識到這些普通的材料可以用來進(jìn)行制冷。

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)。這種螺旋結(jié)構(gòu)的高分子纖維也曾被用來制備強勁的“人工肌肉”。拉伸該螺旋可以升溫，螺旋縮回后溫度降低。

實驗發(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攝氏度的降溫效果，而直接拉伸/釋放該材料卻幾乎觀察不到溫度變化。**在拉伸-收縮過程中，聚乙烯纖維螺旋內(nèi)部捻度降低，從而導(dǎo)致能量的變化。**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。

用于“扭熱制冷”的釣魚線。自螺旋（上圖）和中空卷繞螺旋并固化（下圖）的尼龍-6纖維圖。纖維直徑為0.6 mm。標(biāo)尺：1.0 mm (上圖) ，2.0 mm (下圖)。

（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）

研究人員還發(fā)現(xiàn)，將“扭熱制冷”技術(shù)應(yīng)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，且只需要加入較低的捻度，就會獲得比較大的降溫。

研究人員將四根鎳鈦合金絲放在一起加捻，解捻后最大降溫點可達(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。一個制冷周期，只需要30秒左右。

研究人員還制作了一個基于“扭熱制冷”技術(shù)的冰箱模型，可以對流動的水進(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。

“扭熱制冷”的冰箱模型。使用鎳鈦合金絲或彈性體纖維的“扭熱制冷”裝置可以對流水進(jìn)行降溫

（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）

“反扭熱制冷”效應(yīng)和“扭熱制冷”變色

一般情況下的使用釣魚線的“扭熱制冷”現(xiàn)象為：拉伸升溫、收縮降溫。然而，如果使用相反的加捻和螺旋方向，研究人員可以實現(xiàn)拉伸制冷。

將纖維加捻后繞成螺旋，如果纖維的加捻方向與制備的螺旋方向相反，可以制成“反向螺旋”。與常規(guī)的“扭熱制冷”效應(yīng)不同，這種“反向螺旋”結(jié)構(gòu)的橡膠彈性體和魚線，在拉伸下會降溫，這種新奇的現(xiàn)象稱為“反扭熱制冷”效應(yīng)。

纖維加捻后制備的反向螺旋（左圖）和正向螺旋（右圖）的示意圖

（圖片來源：Science, 2014, 343, 868-872）

“扭熱制冷”中的另外一個特殊現(xiàn)象是纖維不同部位呈現(xiàn)不同的溫度**（在紅外成像儀中，會發(fā)現(xiàn)升溫會顯示為紅色，降溫顯示為藍(lán)色）**。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。

“扭熱制冷”的周期性溫度分布。具有螺旋結(jié)構(gòu)天然橡膠纖維被拉伸后（上圖）和釋放拉伸后（下圖）的紅外圖像和光學(xué)圖像。紅色表示加熱，藍(lán)色表示降溫。

（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）

加個涂層，還能知道材料扭了幾圈，降溫了幾度？

研究人員將鎳鈦合金絲表面涂覆熱致變色涂料，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(fā)生可逆的顏色變化。它可用作新型傳感元件，對纖維捻度進(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?；凇芭嶂评洹痹硪恍├w維也可用于智能變色織物。比如，通過將纖維拉長一點點，使它的顏色發(fā)生變化，就可以給遠(yuǎn)處的人發(fā)出信號，傳遞各種信息，比如危險信號、需要求助、是否可以通行等等。做在衣服里面，通過長度變化來進(jìn)行變色，就像羽毛可以變色的鳥兒一樣，成為一種新潮的裝飾或衣服等。

利用“扭熱制冷”實現(xiàn)顏色變化的纖維。表面涂覆有熱致變色涂料的鎳鈦合金絲加捻和解捻后的顏色變化圖像。

（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）

這些初步的發(fā)現(xiàn)距離‘扭熱冰箱’的商業(yè)化依然有很長的路要走，也存在很多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括，開發(fā)新型的器件與材料以提高循環(huán)使用壽命，合理利用輸入功以提高效率。潛在的機(jī)遇包括，除使用商業(yè)化的現(xiàn)有材料，進(jìn)一步優(yōu)化‘扭熱制冷’材料，獲得最佳的性能。

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。