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  2019年10月11日在線出版的《Science》上，南開(kāi)大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、藥學(xué)院、功能高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉遵峰教授與美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校（UT Dallas）的Ray Baughman教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種柔性制冷新策略—“扭熱制冷”。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)纖維加捻可以發(fā)熱，而解捻可以獲得很明顯的降溫。該方案可以適用于多種纖維材料，包括橡膠彈性體和剛性纖維，如魚(yú)線、編織線、以及鎳鈦合金。初步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，卡諾效率達(dá)到67%。這意味著通過(guò)使用這些普通的材料進(jìn)行制冷，有望獲得更高的卡諾效率，從而節(jié)省更多的電能，并節(jié)省制冷成本。

  根據(jù)國(guó)際制冷研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上使用空調(diào)和冰箱制冷所消耗的電能約占全球電能損耗的20%。并且耗電量隨地球變暖和發(fā)展中國(guó)家制冷的需求增加將繼續(xù)增加。傳統(tǒng)的使用空氣壓縮原理進(jìn)行制冷的技術(shù)，其卡諾效率一般低于60%，制冷中釋放出的大量氣體將進(jìn)一步加劇地球溫室效應(yīng)。尚無(wú)替代方案可以達(dá)到該效率，因此探索新型的制冷理論和方案，提高制冷效率是當(dāng)今科學(xué)界亟待解決的問(wèn)題。此外，進(jìn)一步降低成本、減小體積也是人們的需求。

  除此之外，目前還有其他的制冷技術(shù)。如彈熱制冷、電熱制冷、磁熱制冷、以及鎳鈦合金形狀記憶材料等新型制冷方案。但這些制冷技術(shù)的卡諾效率均未超過(guò)空氣壓縮制冷技術(shù)。

  基于橡膠纖維的“扭熱制冷”優(yōu)勢(shì)是體積小。其所需的體積僅為彈熱制冷的七分之二，而獲得的降溫幾乎相同。將橡膠纖維安裝在盛有水的塑料管狀容器中，使用該“扭熱制冷”技術(shù)，橡膠的整體平均降溫為11.3攝氏度，制冷能量密度為19.4 J/g。這幾乎接近于彈熱制冷達(dá)到的降溫：拉長(zhǎng)7倍的橡膠釋放后降溫為12.2攝氏度，制冷能量密度為-21.6 J/g。更為重要的是，該“扭熱制冷”方案的效率要遠(yuǎn)高于彈熱制冷，其相同做功下產(chǎn)生的制冷能量超過(guò)彈熱制冷的2倍，“扭熱制冷”的卡諾效率可達(dá)67%。

“扭熱制冷”中，對(duì)橡膠纖維加捻會(huì)生成不同的結(jié)構(gòu)：加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋，橡膠直徑：2.5 mm，預(yù)拉伸應(yīng)變：200%

  “扭熱制冷”技術(shù)也適用于剛性高分子纖維和鎳鈦合金。研究人員介紹，橡膠作為扭熱制冷材料，尚存在許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。比如它比較軟，需要捻很多圈才能獲得比較明顯的降溫；另外傳熱速度比較慢，還需要考慮材料的反復(fù)使用、耐久性等問(wèn)題。因此該研究團(tuán)隊(duì)探索了其他的“扭熱制冷”材料。

  有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，該“扭熱制冷”方案也適用于魚(yú)線和紡織線。這些普通的材料之前人們并沒(méi)有意識(shí)到可以用來(lái)進(jìn)行制冷。研究人員先將這些剛性高分子纖維加捻并形成螺旋結(jié)構(gòu)。這些螺旋結(jié)構(gòu)的高分子纖維也曾被用來(lái)制備強(qiáng)勁的“人工肌肉”。

  拉伸該螺旋可產(chǎn)生升溫，螺旋縮回后溫度降低。使用這種技術(shù)，聚乙烯編織線可以產(chǎn)生5.1攝氏度的降溫，而直接拉伸或釋放編織線幾乎觀察不到溫度變化（<0.1攝氏度）。該聚乙烯纖維的“扭熱制冷”的原理是螺旋收縮過(guò)程中，螺旋內(nèi)部捻度降低，這導(dǎo)致了纖維中的馬氏體轉(zhuǎn)變成奧氏體，從而導(dǎo)致能量的變化。這些比較堅(jiān)硬的材料，比橡膠纖維更為耐久。而且在形變很小的情況下，相同形變下的降溫比橡膠的要大。當(dāng)然這些新的發(fā)現(xiàn)還處于萌芽階段，距離真正使用還很遠(yuǎn)，尚需要科研人員對(duì)材料進(jìn)行更多、更充分的研發(fā)。

  研究人員還發(fā)現(xiàn)，“扭熱制冷”技術(shù)也能用于鎳鈦形狀記憶合金。使用鎳鈦合金絲進(jìn)行“扭熱制冷”，加入比較低的捻度，就獲得了比較好的降溫；此外，鎳鈦合金絲的傳熱比較快，用來(lái)進(jìn)行制冷也可以獲得比較快的速度。

  將四根鎳鈦合金絲放在一起加捻，解捻后最大降溫點(diǎn)可以獲得20.8攝氏度的降溫，整體平均降溫也可以達(dá)到18.2攝氏度。這要略高于使用“彈熱制冷”技術(shù)獲得的降溫（17.0攝氏度）。一個(gè)制冷周期，大概只有30秒左右。

  研究人員基于該“扭熱制冷”技術(shù)，制作了一個(gè)空調(diào)模型，可以對(duì)流動(dòng)的水進(jìn)行降溫。使用三根鎳鈦合金絲作為制冷材料，解捻0.87 turns/cm可以獲得7.7攝氏度的降溫。

“扭熱制冷”過(guò)程中，天然橡膠纖維顯示的溫度變化。橡膠直徑為2.2mm

  使用“反向螺旋”結(jié)構(gòu)可獲得“反扭熱制冷”效應(yīng)。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(guī)的“扭熱制冷”效應(yīng)不同，這種“反向螺旋”結(jié)構(gòu)的橡膠彈性體和魚(yú)線，在拉伸下會(huì)降溫，這種新奇的現(xiàn)象稱為“反扭熱制冷”效應(yīng)。經(jīng)過(guò)研究，這種“反扭熱制冷”效應(yīng)的原理是，“反向螺旋”拉伸后會(huì)導(dǎo)致纖維內(nèi)部捻度降低。這與“扭熱制冷”恰好相反。在“扭熱制冷”效應(yīng)中，加捻方向與螺旋方向相同，拉伸會(huì)導(dǎo)致纖維內(nèi)部捻度增加。

“扭熱制冷”的周期性溫度分布。具有螺旋結(jié)構(gòu)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(xué)圖像。紅色表示加熱，藍(lán)色表示降溫

  “扭熱制冷”變色。“扭熱制冷”效應(yīng)的另外一個(gè)特殊現(xiàn)象是沿著纖維方向的周期性空間溫度變化。這是由于纖維加捻產(chǎn)生的螺旋沿纖維長(zhǎng)度方向的周期性分布所致。

  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。在加捻和解捻過(guò)程中，該纖維會(huì)發(fā)生可逆的顏色變化。它可以用作新型傳感元件，對(duì)纖維捻度進(jìn)行遠(yuǎn)程光學(xué)測(cè)量。比如，通過(guò)肉眼觀察顏色的變化，就可以知道遠(yuǎn)處的材料轉(zhuǎn)了幾圈，這是一種非常簡(jiǎn)易的傳感器。

  此外，該“扭熱制冷”變色纖維也可以通過(guò)在聚乙烯纖維螺旋表面涂覆熱致變色涂料制成。這種纖維可以被用作可穿戴、肉眼可讀的傳感器，以及智能變色織物。比如，通過(guò)將纖維拉長(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn)，使它的顏色發(fā)生變化，就可以給遠(yuǎn)處的人發(fā)出信號(hào)，傳遞各種信息，比如危險(xiǎn)信號(hào)、需要求助、是否可以通行等等。做在衣服里面，通過(guò)長(zhǎng)度變化來(lái)進(jìn)行變色，就像羽毛可以變色的鳥(niǎo)兒一樣，成為一種新潮的裝飾或衣服等。

利用“扭熱制冷”實(shí)現(xiàn)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

  以上研究發(fā)現(xiàn)的這種新型制冷技術(shù)，為制冷領(lǐng)域擴(kuò)充了一個(gè)新的板塊。其獲得的卡諾效率達(dá)到了67%，高于目前常用的空氣壓縮原理制冷獲得的效率。該方案廣泛適用于多種常用的纖維材料，比如橡膠、魚(yú)線、編織線、鎳鈦合金等，將為降低制冷領(lǐng)域的能源損耗提供一種新的可能的途徑。使用這些新的材料進(jìn)行“扭熱制冷”，也為開(kāi)拓其他應(yīng)用領(lǐng)域提供新的可能。

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