[科普中国]-神奇！扭一扭就能制冷

在10月11日在线出版的《Science》上，南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室的刘遵峰教授与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校（UT Dallas）的Ray Baughman教授领导的国际研究团队报道了一种柔性制冷新策略—“扭热制冷”。该研究团队发现，**对纤维加捻可以发热，而解捻可以获得很明显的降温。**由于制冷效率更高、体积更小且适用于天然橡胶、钓鱼线以及镍钛合金等多种普通材料，基于这种方法制成的“扭热冰箱”前景可期。

图片来源：论文截图

为了你能吹上空调吃上雪糕，科学家操碎了心

夏天，很多人都会感慨，“这条命就是空调给的”。根据国际制冷研究机构的数据统计，目前世界上使用空调和冰箱制冷消耗的电能约占全球电能损耗的20%，并且耗电量随地球变暖和发展中国家制冷的需求增加将继续增加。目前空调制冷广泛应用的是空气压缩原理，其卡诺效率，卡诺循环(可逆循环)下热机高温和低温之间工作的效率，一般低于60%。另一方面，传统的冰箱在制冷过程释放出的气体正在加剧地球变暖。

除此之外，目前还有其他的制冷技术。如橡皮筋拉长会发热，缩回来温度降低，这种现象叫做弹热制冷。还有电热制冷、磁热制冷、以及镍钛合金形状记忆材料等新型制冷方案，比如车载小冰箱就使用了电热制冷技术。**但是这些制冷技术的卡诺效率均未超过空气压缩制冷技术。**基于天然橡胶的“弹热制冷”早在十九世纪早期就已经被发现。但是，要得到较好的制冷效果，需要预先将橡胶拉伸到很长的尺寸，这对空间大小会有很高的要求。

随着人类对制冷需求的增加，探索新型制冷理论和方案，进一步提高制冷效率，降低成本并减小制冷设备的尺寸，成为当务之急。

扭一扭就能实现制冷？灵感怕不是来源于“麻花”

“扭热制冷”中，对橡胶纤维加捻会生成不同的结构：从左至右分别是加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋。橡胶直径：2.5 mm，预拉伸应变：200%。

（图片来源：Science, 2019, 366, 216，图片背景被移除。）

**通过“扭热制冷”技术，人们只需要解捻就可以实现制冷。**初步的实验证实，‘扭热制冷’技术的卡诺效率可以达到67%。这意味着，通过使用橡胶、钓鱼线等普通材料进行制冷，有望获得更高卡诺效率，从而节省更多电能，降低制冷成本。

使用橡皮筋进行“弹性制冷”，需要将其拉伸至自身长度的6到7倍，然后缩回去。这意味的制冷需要很大的体积。而且，目前“弹性制冷”的卡诺效率比较低，通常只有约32%。能否开发出新的方法进行制冷，来提高效率、减小体积是困扰科研人员的难题。

研究人员将纤维状的橡胶弹性体两端固定，然后从一端旋转加捻，使其形成一种超螺旋结构。将橡胶纤维拉长一倍（100%应变），随后快速释放。研究人员发现，该橡胶纤维的温度可降低15.5摄氏度。这比使用‘弹热制冷’技术的降温要省体积，并且制冷效果更好。拉长7倍的橡胶收缩降温为12.2摄氏度。如果将伸长和加捻均释放，该‘扭热制冷’法降温可达16.4摄氏度。获得相同降温效果的情况下，“扭热制冷”的体积仅为“弹热制冷”的2/7，“扭热制冷”的卡诺效率可达67%。

“扭热制冷”过程中，天然橡胶纤维显示的温度变化。橡胶直径为2.2mm。

（图片来源：Science, 2019, 366, 216）

钓鱼线也能制冷？效率还挺高

研究人员介绍，橡胶作为“扭热制冷”材料，还有很多空间可以改进。比如，橡胶质地较软，需要捻很多圈才能获得比较明显的降温，其传热速度较慢，还需要考虑材料的反复使用、耐久性等问题。因此，探索其他“扭热制冷”材料成为研究团队的一个重要突破方向。

有趣的是，研究者们发现，**‘扭热制冷’方案也适用于钓鱼线、纺织线。**之前，人们并没有意识到这些普通的材料可以用来进行制冷。

研究人员先将这些刚性高分子纤维加捻并形成螺旋结构。这种螺旋结构的高分子纤维也曾被用来制备强劲的“人工肌肉”。拉伸该螺旋可以升温，螺旋缩回后温度降低。

实验发现，使用“扭热制冷”技术，聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的降温效果，而直接拉伸/释放该材料却几乎观察不到温度变化。**在拉伸-收缩过程中，聚乙烯纤维螺旋内部捻度降低，从而导致能量的变化。**这些比较坚硬的材料，比橡胶纤维更为耐久，而且在拉伸很短的情况下，降温幅度也超过橡胶。

用于“扭热制冷”的钓鱼线。自螺旋（上图）和中空卷绕螺旋并固化（下图）的尼龙-6纤维图。纤维直径为0.6 mm。标尺：1.0 mm (上图) ，2.0 mm (下图)。

（图片来源：Science, 2019, 366, 216）

研究人员还发现，将“扭热制冷”技术应用于强度更大、传热更快的镍钛形状记忆合金时，制冷效果更佳，且只需要加入较低的捻度，就会获得比较大的降温。

研究人员将四根镍钛合金丝放在一起加捻，解捻后最大降温点可达20.8摄氏度，整体平均降温也可达到18.2摄氏度。这要略高于使用‘弹热制冷’技术获得的17.0摄氏度降温。一个制冷周期，只需要30秒左右。

研究人员还制作了一个基于“扭热制冷”技术的冰箱模型，可以对流动的水进行降温。他们使用三根镍钛合金丝作为制冷材料，每厘米旋转0.87圈，可以获得7.7摄氏度的降温。

“扭热制冷”的冰箱模型。使用镍钛合金丝或弹性体纤维的“扭热制冷”装置可以对流水进行降温

（图片来源：Science, 2019, 366, 216）

“反扭热制冷”效应和“扭热制冷”变色

一般情况下的使用钓鱼线的“扭热制冷”现象为：拉伸升温、收缩降温。然而，如果使用相反的加捻和螺旋方向，研究人员可以实现拉伸制冷。

将纤维加捻后绕成螺旋，如果纤维的加捻方向与制备的螺旋方向相反，可以制成“反向螺旋”。与常规的“扭热制冷”效应不同，这种“反向螺旋”结构的橡胶弹性体和鱼线，在拉伸下会降温，这种新奇的现象称为“反扭热制冷”效应。

纤维加捻后制备的反向螺旋（左图）和正向螺旋（右图）的示意图

（图片来源：Science, 2014, 343, 868-872）

“扭热制冷”中的另外一个特殊现象是纤维不同部位呈现不同的温度**（在红外成像仪中，会发现升温会显示为红色，降温显示为蓝色）**。这是由于纤维加捻产生的螺旋沿纤维长度方向的周期性分布所致。

“扭热制冷”的周期性温度分布。具有螺旋结构天然橡胶纤维被拉伸后（上图）和释放拉伸后（下图）的红外图像和光学图像。红色表示加热，蓝色表示降温。

（图片来源：Science, 2019, 366, 216）

加个涂层，还能知道材料扭了几圈，降温了几度？

研究人员将镍钛合金丝表面涂覆热致变色涂料，可以制成“扭热制冷”变色纤维。在加捻和解捻的过程中，该纤维会发生可逆的颜色变化。它可用作新型传感元件，对纤维捻度进行远程光学测量。比如，通过使用肉眼观察颜色的变化，就可以知道远处的材料转了几圈，这是一种非常简易的传感器。基于“扭热制冷”原理一些纤维也可用于智能变色织物。比如，通过将纤维拉长一点点，使它的颜色发生变化，就可以给远处的人发出信号，传递各种信息，比如危险信号、需要求助、是否可以通行等等。做在衣服里面，通过长度变化来进行变色，就像羽毛可以变色的鸟儿一样，成为一种新潮的装饰或衣服等。

利用“扭热制冷”实现颜色变化的纤维。表面涂覆有热致变色涂料的镍钛合金丝加捻和解捻后的颜色变化图像。

（图片来源：Science, 2019, 366, 216）

这些初步的发现距离‘扭热冰箱’的商业化依然有很长的路要走，也存在很多机遇与挑战。这些挑战包括，开发新型的器件与材料以提高循环使用寿命，合理利用输入功以提高效率。潜在的机遇包括，除使用商业化的现有材料，进一步优化‘扭热制冷’材料，获得最佳的性能。

该研究发现的这种新型制冷技术，为制冷领域扩充了一个新的板块，将为降低制冷领域能源损耗提供一种新的途径。