（要闻）未来冰箱制冷可能只需“扭一扭”

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更高效、节能、绿色、便携的制冷模式是人类不懈探索的方向。近日，网上刊物《科学》报道了中美科学家联合研究小组发现的一种新的柔性制冷策略——“扭转热制冷”。研究小组发现，改变纤维内部的捻度可以降低温度。由于制冷效率更高，体积更小，适用于许多常见的材料，基于这一技术的“扭转式冰箱”变得很有前景。

这一成果来自南开大学药学院药物化学生物学国家重点实验室暨功能高分子教育重点实验室刘尊峰教授与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校教授、南开大学杨石先讲座教授雷·h·博格曼的合作研究。

只要把温度“扭转”下来

根据国际制冷研究机构的统计，空冰箱消耗的电能约占全球电能损失的20%。广泛使用的空气体压缩原理的卡诺效率通常低于60%,并且从传统冰箱制冷过程中释放的气体正在加剧全球变暖。随着制冷需求的增加，迫切需要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，减小制冷设备的尺寸。

天然橡胶拉伸时会发热，回缩时温度会降低。这种现象被称为“弹热制冷”，早在19世纪初就被发现。但是为了得到更好的制冷效果，需要提前将橡胶拉伸到自身长度的6-7倍，然后再将其回缩。这意味着制冷需要很大的体积。而且“弹热制冷”的卡诺效率目前比较低，通常只有32%左右。

通过“扭转热制冷”技术，研究人员将纤维橡胶弹性体拉伸一倍(100%应变)，然后固定两端，从一端旋转扭曲，形成超螺旋结构。快速解捻后，橡胶纤维的温度降低了15.5摄氏度。

“这一结果高于使用‘弹性热致冷’技术的冷却效果:拉伸7倍的橡胶会收缩并冷却至12.2摄氏度。如果橡胶被扭曲拉伸，然后同时释放，那么‘扭热制冷’的温度可以达到16.4摄氏度。”刘尊峰说，在冷却效果相同的情况下,“扭转热制冷”的橡胶体积只有“弹性热制冷”的七分之二，但其卡诺效率可达67%,远高于空空气压缩原理制冷。

钓鱼线和纺织线也可以冷藏

据研究人员介绍，作为一种“扭转热制冷”材料，空仍有许多房间可以改进。比如橡胶质地较软，需要多次扭转才能得到明显的冷却，传热速度较慢。还需要考虑材料的重复使用和耐久性。因此，探索其他“扭热制冷”材料成为研究团队的重要突破方向。

“有趣的是，我们发现‘扭转热制冷’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材料可以用于制冷。”刘尊锋说。

研究人员首先扭曲这些刚性聚合物纤维，形成螺旋结构。拉伸螺旋可以升温，螺旋回缩后温度降低。

研究发现，采用“扭热制冷”技术，聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的温降，但材料直接拉伸释放时几乎看不到温度变化。“这种聚乙烯纤维的‘扭热制冷’原理是，在拉伸-收缩过程中，螺旋内部的扭曲减少，从而导致能量的变化。”刘尊峰说，这些硬质材料比橡胶纤维更耐用，在短拉伸的情况下，温降也比橡胶高。

研究人员还发现，将“扭转热制冷”技术应用于强度更强、传热更快的镍钛形状记忆合金时，制冷效果更好，只需更低的扭转，就会获得更大的冷却。

比如四根镍钛合金丝绞在一起，解绞后最大温降可达20.8摄氏度，整体平均温降也可达18.2摄氏度。“这略高于使用‘弹性热制冷’技术获得的17.0摄氏度的温度降。一个制冷循环只需要30秒左右。”刘尊锋说。

新技术将来可以用于冰箱

基于“扭转热制冷”技术，研究人员制作了一个冰箱模型，可以冷却流动的水。他们使用三根镍钛合金线作为冷却材料，每厘米旋转0.87次，可以获得7.7摄氏度的温度下降。

“这个发现距离‘扭曲冰箱’商业化还有很长的路要走，机遇和挑战并存。”雷·鲍曼说。刘尊峰认为，这项研究中发现的制冷新技术为制冷领域拓展了一个新的领域。这将为制冷领域减少能量损失提供一种新的途径。

“扭热制冷”中的另一个特殊现象是，纤维的不同部分呈现不同的温度，这是由纤维沿纤维长度方向扭曲产生的螺旋的周期性分布引起的。研究人员在NiTi合金丝表面涂上热变色涂层，可制成“扭热制冷”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器用于光纤扭曲的远程光学测量。比如用肉眼观察颜色的变化，就可以知道远处的物质已经转了好几圈，这是一个很简单的传感器。”刘尊峰说，基于“扭热制冷”的原理，一些纤维也可以用于智能变色织物。(陈伟通讯员吴俊辉)