給我一根橡皮筋,我能造出一個冰箱!”乍聽到這句話,你一定覺得這種說法太無厘頭了。然而,在一項由中國南開大學的研究人員領導的新研究中,他們利用改變各種材料的捻度(扭曲),展示了何為“扭熱制冷”(twistocaloric cooling)。10月11日在線出版的《科學》(Science)雜志刊文,報道了中國南開大學與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校的一支國際聯合研究團隊研獲的這種柔性制冷新策略——“扭熱制冷”。


用橡皮筋能制出冰箱?南開大學研獲新型柔性制冷方式“扭熱制冷”


這項發現來自于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峰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。劉遵峰、雷·鮑曼為論文共同通訊作者,南開大學為論文第一單位。


節省電能  降低成本


根據國際制冷學會調查所得的數據,冰箱和空調的制冷消耗了全球20%的電能,這是一個不容小覷的負擔。而且傳統冰箱的制冷工藝會釋放導致全球變暖的溫室氣體。因此一直以來,科學家都試圖研究出新的制冷技術,希望能提高制冷效率、降低成本并減小體積。


那么制冷和橡皮筋有什么關系呢?如果你拉伸一根橡皮筋,然后將它貼在嘴唇上,就能注意到它明顯變暖了——一旦松開皮筋,它就會冷卻。將一根橡皮筋拉伸能使橡膠的溫度升高,釋放拉伸能使其溫度下降,這種效應被稱為“彈性熱冷卻”(elastocaloric cooling)。這種彈性熱效應傳遞熱量的方式與冰箱或空調中壓縮和擴張液體制冷劑的方式非常相似。


用橡皮筋能制出冰箱?南開大學研獲新型柔性制冷方式“扭熱制冷”

在熱成像下觀察這個過程也很直觀。橡皮筋在拉伸時升溫


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當拉伸的橡皮筋恢復到室溫,突然放松又會降低溫度


基于天然橡膠的“彈熱制冷”早在十九世紀早期就已經被發現。但是,要得到較好的制冷效果,需要預先將橡膠拉伸到很長的尺寸。通過“扭熱制冷”技術,人們只需要解捻就可以實現。“初步的實驗證實,‘扭熱制冷’技術的卡諾效率可以達到67%。這意味著,通過使用橡膠、釣魚線等普通材料進行制冷,有望獲得更高卡諾效率,從而節省更多電能,降低制冷成本。”劉遵峰說。


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“扭熱制冷”中,對橡膠纖維加捻會生成不同的結構:加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋,橡膠直徑:2.5 mm,預拉伸應變:200%。


體積更小  效率更高


使用橡皮筋進行“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%。能否開發出新的方法進行制冷,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,然后從一端旋轉加捻,使其形成一種超螺旋結構。將橡膠纖維拉長一倍(100%應變),隨后快速釋放。研究人員發現,該橡膠纖維的溫度可降低15.5攝氏度。


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“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。


“這一結果高于使用‘彈熱制冷’技術的降溫: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’降溫可達16.4攝氏度。”劉遵峰說,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67%。


釣魚線也能制冷?


研究人員介紹,橡膠作為“扭熱制冷”材料,還有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溫,其傳熱速度較慢,還需要考慮材料的反復使用、耐久性等問題。因此,探索其他“扭熱制冷”材料成為研究團隊的一個重要突破方向。


“有趣的是,我們發現,‘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行制冷。”劉遵峰說。


研究人員先將這些剛性高分子纖維加捻并形成螺旋結構。這種螺旋結構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。


實驗發現,使用“扭熱制冷”技術,聚乙烯編織線可以產生5.1攝氏度的降溫,而直接拉伸/釋放該材料卻幾乎觀察不到溫度變化。“這種聚乙烯纖維的‘扭熱制冷’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。”劉遵峰說,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。


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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。標尺:1.0 mm (上圖) ,2.0 mm (下圖).


研究人員還發現,將“扭熱制冷”技術應用于強度更大、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20.8攝氏度,整體平均降溫也可達到18.2攝氏度。“這要略高于使用‘彈熱制冷’技術獲得的17.0攝氏度降溫。一個制冷周期,只需要30秒左右。”劉遵峰說。


研究人員還制作了一個基于“扭熱制冷”技術的冰箱模型,可以對流動的水進行降溫。他們使用三根鎳鈦合金絲作為制冷材料,每厘米旋轉0.87圈,可以獲得7.7攝氏度的降溫。


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“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”裝置可以對流水進行降溫


“反扭熱制冷”效應和“扭熱制冷”變色


一般情況下的使用釣魚線的“扭熱制冷”現象為:拉伸升溫、收縮降溫。“通過使用相反的加捻和螺旋方向,我們可以實現拉伸制冷。這種現象很奇特。”雷·鮑曼說。


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”。與常規的“扭熱制冷”效應不同,這種“反向螺旋”結構的橡膠彈性體和魚線,在拉伸下會降溫,這種新奇的現象稱為“反扭熱制冷”效應。


“扭熱制冷”中的另外一個特殊現象是纖維不同部位呈現不同的溫度(在紅外成像儀中,會發現升溫會顯示為紅色,降溫顯示為藍色)。這是由于纖維加捻產生的螺旋沿纖維長度方向的周期性分布所致。


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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。


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。”劉遵峰說,基于“扭熱制冷”原理一些纖維也可用于智能變色織物。


用橡皮筋能制出冰箱?南開大學研獲新型柔性制冷方式“扭熱制冷”

利用“扭熱制冷”實現顏色變化的纖維。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。


“這些初步的發現距離‘扭熱冰箱’的商業化依然有很長的路要走,也存在很多機遇與挑戰”,雷·鮑曼說,“這些挑戰包括,開發新型的器件與材料以提高循環使用壽命,合理利用輸入功以提高效率。潛在的機遇包括,除使用商業化的現有材料,進一步優化‘扭熱制冷’材料,獲得最佳的性能”。


劉遵峰認為,該研究發現的這種新型制冷技術,為制冷領域擴充了一個新的板塊。將為降低制冷領域能源損耗提供一種新的途徑。


據了解,清華大學、武漢大學、佐治亞南方大學、清華大學深圳國際研究生院、林德科(美國)研究中心、巴西坎皮納斯州立大學、天津理工大學、遼寧科技大學、中國藥科大學等單位參與了此項研究。


論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216

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