未來冰箱製冷可能只需“扭一扭”

更加高效、節能、綠色、便攜的製冷方式是人類不懈探索的方向。近日，在線出版的《科學》（Science）雜誌刊文，報道了中美科學家聯合研究團隊發現的一種柔性製冷新策略——“扭熱製冷”。研究團隊發現，改變纖維內部的捻度可以實現降温。由於製冷效率更高、體積更小且適用於多種普通材料，基於該技術製成的“扭熱冰箱”也變得前景可期。

這項成果來自於南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、藥學院、功能高分子教育部重點實驗室劉遵峯教授團隊與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校教授、南開大學楊石先講座教授雷⋅鮑曼（Ray H.Baughman）團隊的合作研究。

降低温度一“扭”就行

根據國際製冷研究機構的數據統計，目前世界上使用空調和冰箱製冷消耗的電能約佔全球電能損耗的20%。如今被廣泛應用的空氣壓縮原理製冷，其卡諾效率一般低於60%，傳統冰箱製冷過程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。隨着人類對製冷需求的增加，探索新型製冷理論和方案，進一步提高製冷效率，降低成本並減小製冷設備的尺寸，成為當務之急。

天然橡膠拉伸會發熱，縮回後温度會降低，這種現象叫“彈熱製冷”，早在19世紀早期就已經被發現。但是，要得到較好的製冷效果，需要預先將橡膠拉伸至自身長度的6到7倍，然後縮回去。這意味的製冷需要很大的體積。而且，目前“彈熱製冷”的卡諾效率比較低，通常只有約32%。

而通過“扭熱製冷”技術，研究人員將纖維狀的橡膠彈性體拉長一倍（100%應變），之後把兩端固定，從一端旋轉加捻，使其形成一種超螺旋結構。隨後快速解捻，橡膠纖維的温度降低15.5攝氏度。

“這一結果高於使用‘彈熱製冷’技術的降温：拉長7倍的橡膠收縮降温為12.2攝氏度。而如果既把橡膠加捻又伸長，然後同時釋放，該‘扭熱製冷’降温可達16.4攝氏度。”劉遵峯説，獲得相同降温效果的情況下，“扭熱製冷”的橡膠體積僅為“彈熱製冷”橡膠的七分之二，其卡諾效率卻可達67%，遠高於空氣壓縮原理製冷。

釣魚線、紡織線也能製冷

研究人員介紹，橡膠作為“扭熱製冷”材料，還有很多空間可以改進。比如，橡膠質地較軟，需要捻很多圈才能獲得比較明顯的降温，其傳熱速度較慢，還需要考慮材料的反覆使用、耐久性等問題。因此，探索其他“扭熱製冷”材料成為研究團隊的一個重要突破方向。

“有趣的是，我們發現，‘扭熱製冷’方案也適用於釣魚線、紡織線。之前，人們並沒有意識到這些普通的材料可以用來進行製冷。”劉遵峯説。

研究人員先將這些剛性高分子纖維加捻並形成螺旋結構。拉伸該螺旋可以升温，螺旋縮回後温度降低。

實驗發現，使用“扭熱製冷”技術，聚乙烯編織線可以產生5.1攝氏度的降温，而直接拉伸並釋放該材料卻幾乎觀察不到温度變化。“這種聚乙烯纖維的‘扭熱製冷’原理是在拉伸—收縮過程中，螺旋內部捻度降低，從而導致能量的變化。”劉遵峯説，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，降温幅度也超過橡膠。

研究人員還發現，將“扭熱製冷”技術應用於強度更大、傳熱更快的鎳鈦形狀記憶合金時，製冷效果更佳，且只需較低的捻度，就會獲得比較大的降温。

例如將四根鎳鈦合金絲放在一起加捻，解捻後最大降温可達20.8攝氏度，整體平均降温也可達到18.2攝氏度。“這要略高於使用‘彈熱製冷’技術獲得的17.0攝氏度降温。一個製冷週期，只需要30秒左右。”劉遵峯説。

新技術未來可用於冰箱

基於“扭熱製冷”技術，研究人員製作了一個冰箱模型，可對流動的水進行降温。他們使用三根鎳鈦合金絲作為製冷材料，每釐米旋轉0.87圈，可以獲得7.7攝氏度的降温。

“這項發現距離‘扭熱冰箱’的商業化依然有很長的路要走，機遇與挑戰並存。”雷⋅鮑曼説。劉遵峯認為，該研究發現的這種新型製冷技術，為製冷領域擴充了一個新的板塊。將為降低製冷領域能源損耗提供一種新的途徑。

“扭熱製冷”中的另外一個特殊現象是纖維不同部位呈現不同的温度，這是由於纖維加捻產生的螺旋沿纖維長度方向的週期性分佈所致。研究人員將鎳鈦合金絲表面塗上熱致變色塗料，可以製成“扭熱製冷”變色纖維。在加捻和解捻的過程中，該纖維會發生可逆的顏色變化。“它可用作新型傳感元件，對纖維捻度進行遠程光學測量。比如，通過使用肉眼觀察顏色的變化，就可以知道遠處的材料轉了幾圈，這是一種非常簡易的傳感器。”劉遵峯説，基於“扭熱製冷”原理，一些纖維也可用於智能變色織物。