南开大学刘遵峰教授与Ray H.Baughman教授合作《Science》: 一种柔性制冷新策略 “扭热制冷 ”
来源：药物化学生物学国家重点实验室
2019年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。该方案可以适用于多种纤维材料，包括橡胶弹性体和刚性纤维，如鱼线、编织线、以及镍钛合金。初步的实验证实，卡诺效率达到67%。这意味着通过使用这些普通的材料进行制冷，有望获得更高的卡诺效率，从而节省更多的电能，并节省制冷成本。
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所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。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。
除此之外，目前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。
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”中，对橡胶纤维加捻会生成不同的结构：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%
“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。
有趣的是，研究人员发现，该“扭热制冷”方案也适用于鱼线和纺织线。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（<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。
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。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。
研究人员基于该“扭热制冷”技术，制作了一个空调模型，可以对流动的水进行降温。使用三根镍钛合金丝作为制冷材料，解捻0.87 turns/cm可以获得7.7摄氏度的降温。
“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
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”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
“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。
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。在加捻和解捻过程中，该纤维会发生可逆的颜色变化。它可以用作新型传感元件，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。
此外，该“扭热制冷”变色纤维也可以通过在聚乙烯纤维螺旋表面涂覆热致变色涂料制成。这种纤维可以被用作可穿戴、肉眼可读的传感器，以及智能变色织物。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
以上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。其获得的卡诺效率达到了67%，高于目前常用的空气压缩原理制冷获得的效率。该方案广泛适用于多种常用的纤维材料，比如橡胶、鱼线、编织线、镍钛合金等，将为降低制冷领域的能源损耗提供一种新的可能的途径。使用这些新的材料进行“扭热制冷”，也为开拓其他应用领域提供新的可能。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216
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