未来冰箱制冷可能只需“扭一扭”

一种更加高效、节能、绿色、便携的制冷方法是人类不懈探索的方向。最近，《科学》杂志在线发表的一篇文章报道了中美科学家联合研究小组发现的一种新的灵活制冷策略——“扭转热制冷”。研究小组发现改变纤维内部的扭曲可以降低温度。基于这种技术的“扭热式冰箱”由于其制冷效率高、体积小、适用于多种常见材料，也变得很有前途。

这一成果来自南开大学药学院药物化学与生物国家重点实验室和功能高分子教育重点实验室的刘遵峰教授团队与美国达拉斯德克萨斯州立大学教授、杨石先南开大学教授雷·包曼团队的合作研究。

只是“扭转”温度。

根据国际制冷研究所的统计，空调和冰箱制冷用电约占世界用电的20%。目前广泛使用的空气压缩制冷的卡诺效率一般低于60%。传统冰箱制冷过程中释放的气体加剧了全球变暖。随着人类对制冷需求的增加，探索新的制冷理论和方案以进一步提高制冷效率、降低成本和减小制冷设备的尺寸已经成为当务之急。

天然橡胶拉伸时会变热，收缩时温度会降低。这种现象被称为“弹性热冷却”，早在19世纪初就被发现了。然而，为了获得更好的冷却效果，橡胶需要预先拉伸到其自身长度的6至7倍，然后收缩。这意味着制冷需要很大的体积。此外，“弹热制冷”的卡诺效率相对较低，通常只有32%左右。

然而，通过“扭转热冷却”技术，研究人员已经将纤维状橡胶弹性体(100%应变)加倍，然后将两端固定，并从一端将其扭转形成超级螺旋结构。然后它很快被解开，橡胶纤维的温度降低了15.5摄氏度。

“这个结果高于使用‘弹性热制冷’技术的降温效果:橡胶收缩了7倍，达到12.2摄氏度。如果橡胶被扭曲和拉伸，然后同时释放，“扭曲热制冷”可以将温度降低到16.4摄氏度刘遵峰表示，在同样的制冷效果下，“扭热制冷”的橡胶体积仅为“弹性热制冷”的2/7，而其卡诺效率可达67%，远高于空气压缩制冷。

钓鱼线和纺织线也可以冷却

研究人员表示，橡胶作为一种“扭曲热制冷”材料，仍有很大的改进空间。例如，橡胶质地柔软，需要多次转动才能获得明显的冷却效果。其传热速度慢，需要考虑材料的重复使用和耐久性问题。因此，探索“扭热制冷”的其他材料成为研究团队的一个重要突破方向。

“有趣的是，我们发现‘扭热冷却’方案也适用于钓鱼线和纺织线。以前，人们没有意识到这些普通的材料可以用来制冷。”刘遵奉说道。

研究人员首先将这些刚性聚合物纤维扭曲成螺旋结构。拉伸螺杆会提高温度，螺杆缩回后温度会降低。

实验发现，利用“扭热制冷”技术，聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的温降，而当材料被直接拉伸和释放时，很难观察到温度的变化。这种聚乙烯纤维的“扭曲热致冷”原理是，在拉伸收缩过程中，螺旋内部的扭曲减少，导致能量的变化刘遵峰说，这些相对较硬的材料比橡胶纤维更耐用，在短时间拉伸的情况下，冷却速度超过橡胶。

研究人员还发现，将“扭曲热冷却”技术应用于强度更高、传热更快的NiTi形状记忆合金具有更好的冷却效果，并且只需要更低的扭曲就可以获得更大的冷却效果。

例如，如果将四根NiTi合金丝绞在一起，解绞后的最大温降可达20.8摄氏度，整体平均温降也可达18.2摄氏度。“这比使用‘炸弹热制冷’技术实现的17.0摄氏度的降温幅度略高。一个制冷循环只需要大约30秒。”刘遵奉说道。

未来冰箱将采用的新技术

基于“扭曲热制冷”技术，研究人员制作了一个冰箱模型来冷却流动的水。他们使用三根NiTi合金线作为冷却材料，每厘米旋转0.87圈，可以实现7.7摄氏度的冷却。

“这一发现距离‘扭曲的热冰箱’的商业化还有很长的路要走，机遇和挑战并存。”雷·鲍曼说。刘遵峰认为，这项研究发现的新制冷技术为制冷领域拓展了一个新的领域。这将为制冷领域降低能耗提供一种新的途径。

“扭转热致冷”中的另一个特殊现象是纤维的不同部分显示不同的温度，这是由于纤维扭曲产生的螺旋沿纤维长度的周期性分布。研究人员在NiTi合金丝表面涂上热变色涂层，可制成“扭曲热致冷”变色纤维。在加捻和退捻过程中，纤维会发生可逆的颜色变化。它可以作为一种新的传感元件用于光纤扭转的远程光学测量。例如，通过肉眼观察颜色的变化，你可以知道远处的材料已经转了几圈。这是一个非常简单的传感器。”刘遵峰说，基于“扭热冷却”的原理，一些纤维也可以用于智能变色织物。