更加高效、节能、绿色、便携的制冷方式是人类不懈探索的方向。近日，《Science》杂志在线文章报道了中美科学家联合研究团队发现的一种新型柔性制冷策略——“扭转热制冷”。研究小组发现，改变纤维内部的捻度可以实现冷却。由于制冷效率更高、体积更小、适用于各种普通材料，基于该技术制造的“扭热冰箱”也大有可为。
该成果来自南开大学药学院药物化学生物学国家重点实验室、功能高分子教育部重点实验室刘尊峰教授团队与Ray H. Baugman团队的合作研究德克萨斯州立大学达拉斯分校教授、南开大学讲师杨世贤。
只需降低温度并扭转即可
据国际制冷研究所数据显示，目前全球空调和冰箱的用电量约占全球用电量的20%。目前广泛使用的空气压缩制冷原理的卡诺效率普遍低于60%，而传统制冷过程释放的气体正在加剧全球变暖。随着人类对制冷的需求不断增加，探索新的制冷理论和解决方案，进一步提高制冷效率、降低成本、缩小制冷设备的体积已成为当务之急。
天然橡胶拉伸时会发热，但回缩后温度会降低。这种现象被称为“弹性热制冷”，早在19世纪初就已被发现。但要达到良好的冷却效果，需要将橡胶预拉伸至自身长度的6-7倍，然后再回缩。这意味着制冷需要很大的体积。而且，目前“热制冷”的卡诺效率较低，通常只有32%左右。
通过“扭转冷却”技术，研究人员将纤维状橡胶弹性体拉伸两次（100%应变），然后固定两端并从一端开始扭转，形成超螺旋结构。随后，发生快速解捻，橡胶纤维的温度下降了15.5摄氏度。
这一结果高于使用“弹性热制冷”技术的冷却效果：拉伸7倍的橡胶收缩并冷却至12.2摄氏度。然而，如果橡胶被扭曲和伸展，然后同时释放，“扭转热制冷”可以冷却到16.4摄氏度。刘尊峰表示，在同等冷却效果下，“扭转热制冷”橡胶体积仅为“弹性热制冷”橡胶的三分之二，而其卡诺效率可达67%，远优于空气原理压缩制冷。
钓鱼线和纺织线也可以冷却
研究人员介绍，橡胶作为“扭热制冷”材料还有很大的改进空间。例如，橡胶质地柔软，需要多次扭曲才能实现显着冷却。其传热速度慢，需要考虑材料的重复使用和耐用性等问题。因此，探索其他“扭转制冷”材料成为研究团队的重要突破方向。
有趣的是，我们发现“扭转热冷却”方案也适用于渔业和纺织线。以前，人们并没有意识到这些普通材料可以用来制冷。”刘尊峰说。
研究人员首先将这些刚性聚合物纤维扭转并形成螺旋结构。拉伸螺旋可以升高温度，但收缩螺旋后温度降低。
实验发现，采用“扭转热冷却”技术，聚乙烯编织线可产生5.1摄氏度的温降，而材料直接拉伸释放时几乎观察不到温度变化。这类聚乙烯纤维的“扭转热冷却”原理是在拉伸收缩过程中，螺旋内部扭转减少，导致能量变化。刘尊峰表示，这些相对较硬的材料比橡胶纤维更耐用，即使拉伸很短，冷却速度也超过橡胶。
研究人员还发现，将“扭转热冷却”技术应用到强度更高、传热更快的镍钛形状记忆合金上，可以获得更好的冷却性能，并且只需要更低的扭转就能达到更大的冷却效果。
例如，将四根镍钛合金丝绞合在一起，解绞后最大温降可达20.8摄氏度，整体平均温降也可达18.2摄氏度。这略高于使用“热制冷”技术实现的 17.0 摄氏度的冷却效果。一个制冷循环仅需30秒左右。”刘尊峰说。
新技术未来可用于冰箱
基于“扭转热制冷”技术，研究人员创建了一种可以冷却流动水的冰箱模型。他们使用三根镍钛合金丝作为冷却材料，每厘米旋转0.87转，实现了7.7摄氏度的冷却。
这一发现距离‘扭热冰箱’的商业化还有很长的路要走，机遇与挑战并存。”雷·鲍曼说道。刘尊峰认为，本次研究发现的新型制冷技术，为制冷领域拓展了一个新的领域。将为制冷领域降低能耗提供新途径。
“扭转热制冷”中的另一个特殊现象是，纤维的不同部位表现出不同的温度，这是由于纤维沿纤维长度方向扭转产生的螺旋周期性分布造成的。研究人员在镍钛合金丝表面涂上热致变色涂层，制成“扭转冷却”变色纤维。在加捻和解捻过程中，纤维会发生可逆的颜色变化。它可作为一种新型传感元件，用于光纤捻度的远程光学测量。比如，通过肉眼观察颜色变化，就可以知道物质在远处转了多少圈，这是一个非常简单的传感器。”刘尊峰表示，基于“扭转热冷却”原理，部分纤维还可以用于智能变色面料。
发布时间：2023年7月13日