扭热制冷

中国南开大学和美国得克萨斯大学达拉斯分校研究人员领导的团队将纤维状的橡胶弹性体两端固定，一端加捻使其形成类似于DNA的超螺旋结构，并将纤维拉长一倍。随后，伸长和加捻后的结构在快速释放中降温，最大降温点可降温16.4摄氏度。

论文共同通讯作者、南开大学药学院教授刘遵峰说，传统“弹热制冷”需要将橡皮筋拉长6至7倍再缩回，“扭热制冷”比它的卡诺效率高一倍，且体积更小。

研究团队使用鱼线、纺织线等耐久性更强的刚性高分子材料也实现了制冷效果，且相同形变下的降温效果比橡胶更强。这些普通的材料之前人们并没有意识到可以用来进行制冷。

研究还显示，将4根镍钛合金丝加捻并解捻，最大降温点可获得20.8摄氏度的降温，整体平均降温可达18.2摄氏度，一个制冷周期只有30秒左右。

研究人员据此制作了一个冰箱模型，用3根镍钛合金丝给流动的水降温，解捻每厘米0.87转即可获得7.7摄氏度的降温。

研究人员还在材料表面涂覆上热致变色涂料，使纤维随捻度变化发生可逆的颜色变化，未来有望用于可穿戴设备、可视传感器和智能变色织物等。

研究人员还发现，“扭热制冷”技术也能用于镍钛形状记忆合金。

除此之外，还有其他的制冷技术。如弹热制冷、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。但这些制冷技术的卡诺效率均未超过空气压缩制冷技术。 2100433B

2019年10月11日，发表在美国《科学》杂志上的研究显示，这种被称为“扭热制冷”的新策略先对纤维加捻，然后通过解捻获得明显降温，其卡诺效率可达67%，超过传统空气压缩制冷不到60%的卡诺效率。卡诺效率是用于衡量热机最大工作效率的指标。

空调和冰箱制冷消耗全球约20%的电能，需求还将继续增加，这将进一步加剧地球温室效应。传统的使用空气压缩原理进行制冷的技术，其卡诺效率一般低于60%，制冷中释放出的大量气体将进一步加剧地球温室效应。尚无替代方案可以达到该效率，因此探索新型的制冷理论和方案，提高制冷效率是当今科学界亟待解决的问题。此外，进一步降低成本、减小体积也是人们的需求。

基于橡胶纤维的“扭热制冷”优势是体积小。其所需的体积仅为弹热制冷的七分之二，而获得的降温几乎相同。将橡胶纤维安装在盛有水的塑料管状容器中，使用该“扭热制冷”技术，橡胶的整体平均降温为11.3摄氏度，制冷能量密度为19.4 J/g。这几乎接近于弹热制冷达到的降温：拉长7倍的橡胶释放后降温为12.2摄氏度，制冷能量密度为21.6 J/g。更为重要的是，该“扭热制冷”方案的效率要远高于弹热制冷，其相同做功下产生的制冷能量超过弹热制冷的2倍，“扭热制冷”的卡诺效率可达67%。

“扭热制冷”技术也适用于刚性高分子纤维和镍钛合金。研究人员介绍，橡胶作为扭热制冷材料，尚存在许多机遇与挑战。比如它比较软，需要捻很多圈才能获得比较明显的降温；另外传热速度比较慢，还需要考虑材料的反复使用、耐久性等问题。因此该研究团队探索了其他的“扭热制冷”材料。研究人员先将这些刚性高分子纤维加捻并形成螺旋结构。这些螺旋结构的高分子纤维也曾被用来制备强劲的“人工肌肉”。

拉伸该螺旋可产生升温，螺旋缩回后温度降低。使用这种技术，聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的降温，而直接拉伸或释放编织线几乎观察不到温度变化（小于0.1摄氏度）。该聚乙烯纤维的“扭热制冷”的原理是螺旋收缩过程中，螺旋内部捻度降低，这导致了纤维中的马氏体转变成奥氏体，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。而且在形变很小的情况下，相同形变下的降温比橡胶的要大。当然这些新的发现还处于萌芽阶段，距离真正使用还很远，尚需要科研人员对材料进行更多、更充分的研发。

使用镍钛合金丝进行“扭热制冷”，加入比较低的捻度，就获得了比较好的降温；此外，镍钛合金丝的传热比较快，用来进行制冷也可以获得比较快的速度。 将四根镍钛合金丝放在一起加捻，解捻后最大降温点可以获得20.8摄氏度的降温，整体平均降温也可以达到18.2摄氏度。这要略高于使用“弹热制冷”技术获得的降温（17.0摄氏度）。一个制冷周期，大概只有30秒左右。

使用“反向螺旋”结构可获得“反扭热制冷”效应。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。

经过研究，这种“反扭热制冷”效应的原理是，“反向螺旋”拉伸后会导致纤维内部捻度降低。这与“扭热制冷”恰好相反。在“扭热制冷”效应中，加捻方向与螺旋方向相同，拉伸会导致纤维内部捻度增加。

“扭热制冷”变色。“扭热制冷”效应的另外一个特殊现象是沿着纤维方向的周期性空间温度变化。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。

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