目前，作為重要的白色家電，傳(chuan)統冰箱依靠(kao)制(zhi)冷(leng)劑(ji)循環(huan)膨脹和壓縮的制(zhi)冷(leng)技術(shu)已(yi)經非常成熟，但大多(duo)設備的卡(ka)(ka)諾(nuo)效率(lv)難以突破60%的瓶頸（卡(ka)(ka)諾(nuo)效率(lv)是一(yi)項描述制(zhi)冷(leng)機能量(liang)轉化(hua)效率(lv)的指標）。而且傳(chuan)統的冰箱在制(zhi)冷(leng)過程釋放出的氣體正在加(jia)劇地球(qiu)變暖。

　　隨著人類對(dui)制冷需求的增(zeng)加，進(jin)一步(bu)提(ti)高制冷效率、降(jiang)低成(cheng)本，并縮小機器(qi)的尺寸，成(cheng)為當(dang)務(wu)之急。

　　在10月11日在線出版的(de)(de)《科學(xue)(xue)(xue)》上，由南開(kai)大學(xue)(xue)(xue)和得克薩(sa)斯州立大學(xue)(xue)(xue)達拉斯分(fen)校領導的(de)(de)國(guo)際研(yan)究團(tuan)隊報道了一(yi)(yi)種柔性制(zhi)冷(leng)(leng)新(xin)(xin)策略，可通過加捻和解捻實現纖(xian)維制(zhi)冷(leng)(leng)。這(zhe)種“扭(niu)熱制(zhi)冷(leng)(leng)”的(de)(de)新(xin)(xin)技(ji)術，為(wei)制(zhi)冷(leng)(leng)領域(yu)(yu)擴充了一(yi)(yi)個新(xin)(xin)的(de)(de)板塊，或將為(wei)降(jiang)低制(zhi)冷(leng)(leng)領域(yu)(yu)能源損耗(hao)提供一(yi)(yi)種新(xin)(xin)的(de)(de)途徑。

　　論(lun)文顯示，該(gai)研究團隊首次發現，通過釋放(fang)扭緊的(de)彈性材(cai)料后的(de)解(jie)捻，能夠(gou)實現將水冷卻20.8℃，其制冷的(de)卡諾效率可以(yi)達到67%。

中國科學報：“扭熱制冷冰箱”前景(jing)可期

　　一(yi)根(gen)制冷“麻花”的誕生(sheng)

　　早在1802年，人們就發(fa)現一根拉(la)緊的(de)橡皮(pi)筋釋放后會降溫。

　　“基于天然橡(xiang)膠的彈熱(re)制(zhi)冷早在19世紀早期就已經被(bei)發現了。但是要(yao)得到(dao)較好制(zhi)冷效果，需(xu)要(yao)預先將橡(xiang)膠拉(la)伸到(dao)很長的尺寸，” 得克薩斯州立大(da)學達(da)拉(la)斯分(fen)校（UT Dallas）麥克德(de)爾米德(de)納米技術研究所的Ray Baughman教授說(shuo)，“通過‘扭熱(re)制(zhi)冷’技術，你只(zhi)需(xu)要(yao)解捻就可(ke)以實現。”

　　文章(zhang)作者之一、天津理工大學(xue)材料科學(xue)與工程學(xue)院教授印壽根告訴(su)《中國(guo)科學(xue)報》，這種彈性熱(re)效(xiao)(xiao)應(ying)是由(you)于釋放后橡皮筋發生相變(bian)(bian)，引(yin)起(qi)熵(shang)的改變(bian)(bian)，從環境中吸收熱(re)量所(suo)導致的。這種效(xiao)(xiao)應(ying)對于形(xing)狀(zhuang)記憶(yi)材料尤為顯著。

　　1834年(nian)，第一臺(tai)基于(yu)蒸汽(qi)壓(ya)縮(suo)制(zhi)(zhi)(zhi)冷的冰(bing)箱制(zhi)(zhi)(zhi)成。經過一百多年(nian)的發展，這類(lei)制(zhi)(zhi)(zhi)冷技術(shu)逐(zhu)漸成熟，用(yong)其制(zhi)(zhi)(zhi)成的冰(bing)箱、空調等白色家(jia)電成為了現代家(jia)居重要的組成部分(fen)。然(ran)而，蒸汽(qi)壓(ya)縮(suo)制(zhi)(zhi)(zhi)冷的效率普遍低于(yu)60%，同時(shi)，對于(yu)制(zhi)(zhi)(zhi)冷原理的探(tan)索停留(liu)在壓(ya)縮(suo)和彈性作用(yong)，“扭熱制(zhi)(zhi)(zhi)冷”并沒有(you)進入到人們的視野(ye)里。

　　2016年左右，劉遵(zun)峰(feng)課(ke)題組正在用(yong)橡膠(jiao)研制人造肌肉，一(yi)次實(shi)驗中，研究人員(yuan)發現橡膠(jiao)扭(niu)動后可以升(sheng)溫，解捻后可以降溫。經過(guo)優化，將橡膠(jiao)拉長一(yi)倍加捻，再解捻后會降溫15.5攝氏度。

　　這項發現打開了制冷技術(shu)的一扇新(xin)大門(men)。

　　文章作者之一、中(zhong)國藥科大學理(li)學院副教授周(zhou)湘告訴記(ji)者，為了(le)(le)尋(xun)找適用于解捻制冷的材料(liao)，研(yan)究人員做(zuo)了(le)(le)很多嘗試，由于橡膠太軟，需要(yao)捻很多圈才能觀察到(dao)制冷效果(guo)，所(suo)以研(yan)究人員測試了(le)(le)硬度更大的鎳鈦(tai)記(ji)憶合金。

　　理論上，鎳(nie)鈦(tai)合(he)金(jin)的卡諾效率可(ke)以達到84%，在實驗(yan)中(zhong)，單根鎳(nie)鈦(tai)合(he)金(jin)最多(duo)可(ke)以降溫17.0攝氏度(du)，四根一(yi)股的鎳(nie)鈦(tai)合(he)金(jin)甚至能降溫20.8攝氏度(du)。

　　由于鎳鈦合金(jin)價格(ge)昂貴，研究人員又(you)測試了(le)更易獲得的(de)聚(ju)乙烯和尼龍釣(diao)魚線，也取得了(le)降溫5.1攝氏度的(de)成(cheng)果。

　　原理新、效(xiao)率高、成本低(di)且環(huan)保

　　劉遵峰對(dui)《中國(guo)科學(xue)報》說，解捻制冷有(you)原理(li)新、效率高、成(cheng)本低、綠色環保(bao)等諸多優點(dian)。

　　為(wei)研(yan)(yan)究(jiu)聚(ju)乙(yi)烯(xi)魚(yu)線的(de)(de)制冷原理，研(yan)(yan)究(jiu)人員(yuan)采用X射線衍射對加捻的(de)(de)螺旋纖維(wei)拉伸前后進行了(le)觀測。結(jie)果顯示，螺旋結(jie)構的(de)(de)纖維(wei)拉伸后，其低熵(shang)(shang)態(tai)結(jie)構部(bu)分轉變為(wei)高熵(shang)(shang)態(tai)。劉遵(zun)峰表示，這種相轉變是實現聚(ju)乙(yi)烯(xi)魚(yu)線扭熱制冷的(de)(de)本(ben)質(zhi)原因(yin)。

　　“解(jie)捻(nian)制(zhi)冷在壓力、彈力以外利用(yong)了扭(niu)矩，因此同樣(yang)的(de)(de)制(zhi)冷量下解(jie)捻(nian)制(zhi)冷從(cong)外界輸入(ru)的(de)(de)功最少。”在解(jie)釋解(jie)捻(nian)制(zhi)冷的(de)(de)原理優(you)勢時，劉遵(zun)峰這(zhe)樣(yang)說道。

　　“效(xiao)率是最核心的(de)目標。”印壽根告訴記者。對于壓縮(suo)制冷，無論是材(cai)料還是器(qi)件設計，都(dou)從(cong)來沒有(you)獲得(de)(de)這(zhe)么高的(de)卡諾效(xiao)率（67%），這(zhe)一(yi)點(dian)得(de)(de)到(dao)了審稿人的(de)特別肯定。

　　“這項(xiang)實驗(yan)不需(xu)要使用(yong)特別(bie)的超(chao)彈性材料，就(jiu)獲得了熵的變化。”印(yin)壽(shou)根說。

　　而且，由(you)于后(hou)期的實驗使用了成本低廉(lian)的聚乙烯(xi)釣魚線，極大地降(jiang)低了成本，使得這種創新技術未(wei)來更具競(jing)爭(zheng)優(you)勢。

　　劉遵峰說：“相(xiang)對蒸汽壓縮制(zhi)冷(leng)，解捻制(zhi)冷(leng)的(de)相(xiang)關材料、器件(jian)都(dou)是固態的(de)，沒有溫(wen)室效(xiao)應，更不(bu)會破壞臭氧層。”而(er)且設備體積小、耗能低(di)，有利于家電的(de)綠色、節能、環(huan)保。

　　5G背(bei)景(jing)下大有可為

　　劉遵峰說，在未來的工作(zuo)中會試(shi)驗更多(duo)的新型材料，尋(xun)找在同樣(yang)的扭力作(zuo)用(yong)下(xia)熵(shang)變最高，并能夠在成本和(he)效率之間取得平衡的纖維材料。

　　同時，他們也在探索研制(zhi)第(di)一臺原型制(zhi)冷(leng)機，并(bing)期待與(yu)制(zhi)冷(leng)企業合作，早日把這(zhe)項技術用起(qi)來。

　　劉(liu)遵峰還(huan)認為，可以摸索解捻制冷技術(shu)在(zai)可穿(chuan)戴(dai)柔(rou)性電子領域的應用場景。在(zai)論文中，研究人員還(huan)試驗了(le)涂(tu)有熱(re)致變(bian)色涂(tu)料(liao)的橡膠在(zai)加解捻過程中的變(bian)化(hua)，并觀(guan)察到了(le)變(bian)色效(xiao)果。如果能(neng)(neng)夠將類(lei)似具有制冷和(he)變(bian)色功能(neng)(neng)的材料(liao)編(bian)入衣物，不(bu)僅能(neng)(neng)夠更好地在(zai)運動時幫助(zhu)人體和(he)佩戴(dai)的電子產品散熱(re)，還(huan)能(neng)(neng)制備傳感(gan)器和(he)智能(neng)(neng)變(bian)色織(zhi)物。

　　印壽根認為，在5G技術開始商用的背景下(xia)，設備(bei)的連接密度(du)加大，不(bu)斷增(zeng)加的智(zhi)能家居設備(bei)對散(san)熱(re)會有(you)更高的要求(qiu)，基(ji)于解(jie)捻制冷原理的制冷機效(xiao)率更高，將(jiang)大有(you)可為。

　　“你看，天體都是旋轉的。”劉遵峰(feng)對(dui)說，“這(zhe)是宇宙節(jie)省(sheng)能量的方(fang)法(fa)。”

　　不(bu)過，研究團隊(dui)也(ye)同意，這(zhe)些初步的發現，距離“扭熱制冷冰箱”的商業化依然有很(hen)(hen)長(chang)的路要走，未來(lai)存在很(hen)(hen)多機(ji)遇與(yu)挑(tiao)戰。

　　“這些挑戰包括開(kai)發新型的器件與材(cai)料以(yi)(yi)提高循環使用(yong)壽命，合理利用(yong)輸入功以(yi)(yi)提高效率。”Ray Baughman說(shuo)，“而潛在(zai)的機遇則包括，除使用(yong)商業化的現(xian)有(you)材(cai)料，進(jin)一步優化‘扭熱制冷’材(cai)料，獲得******性能。”                    本文來自：中國制冷網