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

　　目前，作為重要的白色家電，傳統(tǒng)冰箱依靠制冷劑循環(huán)膨脹和壓縮的制冷技術已經(jīng)非常成熟，但大多設備的卡諾效率難以突破60%的瓶頸(卡諾效率是一項描述制冷機能量轉化效率的指標)。而且傳統(tǒng)的冰箱在制冷過程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。

　　隨著人類對制冷需求的增加，進一步提高制冷效率、降低成本，并縮小機器的尺寸，成為當務之急。

　　在10月11日在線出版的《科學》上，由南開大學和得克薩斯州立大學達拉斯分校領導的國際研究團隊報道了一種柔性制冷新策略，可通過加捻和解捻實現(xiàn)纖維制冷。這種“扭熱制冷”的新技術，為制冷領域擴充了一個新的板塊，或將為降低制冷領域能源損耗提供一種新的途徑。

　　論文顯示，該研究團隊首次發(fā)現(xiàn)，通過釋放扭緊的彈性材料后的解捻，能夠實現(xiàn)將水冷卻20.8℃，其制冷的卡諾效率可以達到67%。

　　一根制冷“麻花”的誕生

　　早在1802年，人們就發(fā)現(xiàn)一根拉緊的橡皮筋釋放后會降溫。

　　“基于天然橡膠的彈熱制冷早在19世紀早期就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了。但是要得到較好制冷效果，需要預先將橡膠拉伸到很長的尺寸，”得克薩斯州立大學達拉斯分校(UT Dallas)麥克德爾米德納米技術研究所的Ray Baughman教授說，“通過‘扭熱制冷’技術，你只需要解捻就可以實現(xiàn)?！?/p>

　　文章作者之一、天津理工大學材料科學與工程學院教授印壽根告訴《中國科學報》，這種彈性熱效應是由于釋放后橡皮筋發(fā)生相變，引起熵的改變，從環(huán)境中吸收熱量所導致的。這種效應對于形狀記憶材料尤為顯著。

　　1834年，第一臺基于蒸汽壓縮制冷的冰箱制成。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，這類制冷技術逐漸成熟，用其制成的冰箱、空調(diào)等白色家電成為了現(xiàn)代家居重要的組成部分。然而，蒸汽壓縮制冷的效率普遍低于60%，同時，對于制冷原理的探索停留在壓縮和彈性作用，“扭熱制冷”并沒有進入到人們的視野里。

　　2016年左右，劉遵峰課題組正在用橡膠研制人造肌肉，一次實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)橡膠扭動后可以升溫，解捻后可以降溫。經(jīng)過優(yōu)化，將橡膠拉長一倍加捻，再解捻后會降溫15.5攝氏度。

　　這項發(fā)現(xiàn)打開了制冷技術的一扇新大門。

　　文章作者之一、中國藥科大學理學院副教授周湘告訴記者，為了尋找適用于解捻制冷的材料，研究人員做了很多嘗試，由于橡膠太軟，需要捻很多圈才能觀察到制冷效果，所以研究人員測試了硬度更大的鎳鈦記憶合金。

　　理論上，鎳鈦合金的卡諾效率可以達到84%，在實驗中，單根鎳鈦合金最多可以降溫17.0攝氏度，四根一股的鎳鈦合金甚至能降溫20.8攝氏度。

　　由于鎳鈦合金價格昂貴，研究人員又測試了更易獲得的聚乙烯和尼龍釣魚線，也取得了降溫5.1攝氏度的成果。

　　原理新、效率高、成本低且環(huán)保

　　劉遵峰對《中國科學報》說，解捻制冷有原理新、效率高、成本低、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點。

　　為研究聚乙烯魚線的制冷原理，研究人員采用X射線衍射對加捻的螺旋纖維拉伸前后進行了觀測。結果顯示，螺旋結構的纖維拉伸后，其低熵態(tài)結構部分轉變?yōu)楦哽貞B(tài)。劉遵峰表示，這種相轉變是實現(xiàn)聚乙烯魚線扭熱制冷的本質(zhì)原因。

　　“解捻制冷在壓力、彈力以外利用了扭矩，因此同樣的制冷量下解捻制冷從外界輸入的功最少?！痹诮忉尳饽碇评涞脑韮?yōu)勢時，劉遵峰這樣說道。

　　“效率是最核心的目標。”印壽根告訴記者。對于壓縮制冷，無論是材料還是器件設計，都從來沒有獲得這么高的卡諾效率(67%)，這一點得到了審稿人的特別肯定。

　　“這項實驗不需要使用特別的超彈性材料，就獲得了熵的變化?！庇鄹f。

　　而且，由于后期的實驗使用了成本低廉的聚乙烯釣魚線，極大地降低了成本，使得這種創(chuàng)新技術未來更具競爭優(yōu)勢。

　　劉遵峰說：“相對蒸汽壓縮制冷，解捻制冷的相關材料、器件都是固態(tài)的，沒有溫室效應，更不會破壞臭氧層?！倍以O備體積小、耗能低，有利于家電的綠色、節(jié)能、環(huán)保。

　　5G背景下大有可為

　　劉遵峰說，在未來的工作中會試驗更多的新型材料，尋找在同樣的扭力作用下熵變最高，并能夠在成本和效率之間取得平衡的纖維材料。

　　同時，他們也在探索研制第一臺原型制冷機，并期待與制冷企業(yè)合作，早日把這項技術用起來。

　　劉遵峰還認為，可以摸索解捻制冷技術在可穿戴柔性電子領域的應用場景。在論文中，研究人員還試驗了涂有熱致變色涂料的橡膠在加解捻過程中的變化，并觀察到了變色效果。如果能夠將類似具有制冷和變色功能的材料編入衣物，不僅能夠更好地在運動時幫助人體和佩戴的電子產(chǎn)品散熱，還能制備傳感器和智能變色織物。

　　印壽根認為，在5G技術開始商用的背景下，設備的連接密度加大，不斷增加的智能家居設備對散熱會有更高的要求，基于解捻制冷原理的制冷機效率更高，將大有可為。

　　“你看，天體都是旋轉的?！眲⒆穹鍖Α吨袊茖W報》說，“這是宇宙節(jié)省能量的方法?！?/p>

　　不過，研究團隊也同意，這些初步的發(fā)現(xiàn)，距離“扭熱制冷冰箱”的商業(yè)化依然有很長的路要走，未來存在很多機遇與挑戰(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?！盧ay Baughman說，“而潛在的機遇則包括，除使用商業(yè)化的現(xiàn)有材料，進一步優(yōu)化‘扭熱制冷’材料，獲得最佳性能。”