用一條橡皮筋，怎樣造出一台高效的冰箱？_風聞

來源：環球科學

將一根橡皮筋擰成麻花再鬆開，會發生什麼變化？皮筋還是那根皮筋，但扭曲-釋放的過程，其實伴隨了橡皮筋的放熱與吸熱。正是這個看似不起眼的熱量變化過程，讓南開大學和美國得克薩斯州立大學的合作研究團隊找到了更高效的製冷方式。在發表於《科學》雜誌的最新研究中，他們驗證了“扭熱效應”的製冷潛力。或許，未來的冰箱使用的將不再是製冷劑，而是一根根被扭曲的線繩。

撰文 | 吳非 

製冷難題

還記得中學物理中冰箱製冷的原理嗎？冰箱的製冷過程是一個卡諾循環，而其中的關鍵就是製冷劑：低温的液態製冷劑在蒸發器中吸收冰箱中的熱量並汽化；蒸汽進入壓縮機，被壓縮成高壓氣體後排出；高壓氣體進入冷凝器，凝結成高壓液體；液體流經膨脹閥時壓力降低，進入蒸發器。以上4個步驟週而復始，實現了冰箱內部的製冷。這樣的製冷劑，同樣用於空調等製冷設備。

但是，這個被廣泛使用的製冷過程卻存在固有的問題。液態製冷劑的卡諾效率只有60%左右，因此製冷需要消耗大量能源：全球20%的電能，都用在了冰箱及空調製冷上。此外，目前的製冷工藝還釋放了大量温室氣體；一旦製冷液泄露，更會直接威脅到生態環境。

是時候想辦法拋棄液態製冷劑了。尋找更加高效、環保的製冷方式，已經成為眾多研究團隊探索的目標。一個候選方向是固態製冷，包括電熱效應、磁熱效應等，即通過固體材料狀態的變化來改變環境温度。而最具希望的固體制冷手段，則是彈熱效應。

1805年，英國實驗哲學家約翰·高夫（John Gough）首次觀察到（準確地説，是感受到）彈熱效應。高夫在幼年時因感染天花而失去了視覺，但這也賦予他更敏鋭的感知能力。他在拉伸橡皮筋時發現，如果在嘴唇跟前拉伸橡皮筋，嘴唇可以感受到空氣的升温；而當橡皮筋彈回，嘴唇感受到的則是一絲涼意。就這樣，高夫發現了該過程中的熱量變化。多年後，著名物理學家詹姆斯·焦耳（James Joule）進一步確認了彈熱效應，該現象也被命名為高夫-焦耳效應。

不過，儘管基礎理論早在200多年前就已經誕生，但基於彈熱效應的應用卻並不常見。通過橡膠或其他彈性材料製冷的卡諾效率只有32%，這顯然不能令人滿意。而且，要通過彈熱過程產生顯著的熱量變化，則需要將材料拉伸到足夠的長度——例如，一根橡膠繩需要被拉長6~7倍，這使得科學家難以研製出小型、高效的製冷裝置。

從彈熱到扭熱

怎樣在彈熱裝置的基礎上，打造更加實用的製冷裝置？南開大學的劉遵峯團隊想到了拉伸之外的另一種變化——扭曲。接受採訪時，劉遵峯教授介紹了靈感的來源。此前在進行人工肌肉等材料研究時，常常會利用加捻與解捻，即對材料施加扭曲力以及解除扭曲力。“既然加捻與解捻過程恰好伴隨了熱量的釋放與吸收。因此我們決定試試看，這個過程能否用於製冷？”劉遵峯解釋道。

劉遵峯團隊與得克薩斯州立大學的雷·鮑曼（Ray Baughman）教授合作，驗證了這個想法。他們首先使用天然橡膠纖維進行測試：固定住橡膠的兩端後，在將橡膠拉伸1倍的同時，施加不同程度的扭曲力。這時，橡膠纖維分別處於如下圖所示的四種狀態：扭曲、部分螺旋、完全螺旋和超螺旋，四種狀態的扭曲幅度依次增加。隨後，研究者快速釋放扭曲力，並觀察該過程中的熱量變化。

結果不出所料：**扭曲程度越高，橡膠纖維被釋放時的降温越明顯。**而且，扭熱的降温效果遠超單純的彈熱效應：橡膠纖維被拉伸1倍、處於超螺旋狀態時，解捻產生的最高降温幅度達到15.5℃，平均降温也有12.4℃。作為對比，如果僅僅拉伸橡膠，需要將橡膠纖維拉長7倍，才能達到相近的降温效果。

至此，研究證實了扭熱效應在高效製冷中的潛力。不過，研究團隊並未就此止步。天然橡膠雖然在上述測試中數據喜人，但它仍算不上完美的製冷材料。由於橡膠傳熱較慢，需要大幅的加捻才能表現出明顯的降温效果；再加上橡膠長期加捻後容易出現疲勞現象、使用壽命有限，因此研究者繼續探索了其他材料在扭熱製冷中的表現。

最新論文的兩位通訊作者：劉遵峯（左）與雷·鮑曼（右）

尋找更高效的材料

在這個過程中，他們注意到一個意料之外的現象：聚乙烯、尼龍釣魚線等剛性高分子材料，也在加捻-解捻過程中呈現出温度的變化。研究推測，這是因為高分子材料的晶型在釋放扭曲力時發生了相變，從熵值更高的斜方晶系轉變為單斜晶系，從而降低了環境温度。進一步的X射線衍射也證實了這個猜想。與質地柔軟的橡膠材料相比，這些堅硬的高分子材料更加耐用。

在這些測試的基礎上，研究團隊希望找到一種兼具耐用性、導熱性與硬度的材料。他們選擇了此前彈熱效應研究中常用的鎳鈦記憶合金（Ni52.6Ti47.4），一種理論卡諾效應達到84%的材料。與上文的高分子材料相似，鎳鈦合金的温度變化同樣源自晶型的變化：加捻時，金屬發生相變，從奧氏體（面心立方結構）轉變為馬氏體（體心立方結構）；解捻時，則發生相反的轉變。

劉遵峯團隊使用鎳鈦合金，打造了一個**“扭熱冰箱”的原型**。在這個小型冰箱模型中，作者使用了3根鎳鈦記憶合金絲。裝置將3根合金絲的兩端固定後同時加捻，隨後解捻，完成一個製冷循環。這時的合金絲如同冰箱中的製冷劑，吸收周圍水流的熱量。對裝置出口處水温的監測顯示，這個“扭熱冰箱”讓水温下降了7.7℃。

劉遵峯表示，橡膠的卡諾效率達到67%，是此前彈熱效應的兩倍。但他也指出，儘管扭熱效應前景喜人，但目前仍有不少問題需要解決。劉遵峯團隊也正在尋找抗疲勞、導熱性更好的複合高分子材料，以提升製冷表現；裝置的設計細節有待提升，從而在加捻、解捻過程中更加合理地利用能量；他們也在嘗試開發與實際更接近的冰箱模型。

共同通訊作者鮑曼也表示：“距離實現扭熱冰箱的商業化，仍然有很長的路要走，也存在很多挑戰。但同時，我們也面臨潛在的機遇：在現有材料之外，我們有機會優化性能更加優異的扭熱製冷材料。”

原始論文：https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216/tab-article-info