用一根橡皮筋,就能造出一个冰箱?

  “给我一根橡皮筋,我能造出一个冰箱!”

  乍听到这句话,你一定觉得这种说法太无厘头了。然而,在一项由中国南开大学的研究人员领导的新研究中,他们利用改变各种材料的捻度(扭曲),展示了何为“扭转热冷却”(twistocaloric cooling)。

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  根据国际制冷学会调查所得的数据,冰箱和空调的制冷消耗了全球 20% 的电能,这是一个不容小觑的负担。而且传统冰箱的制冷工艺会释放导致全球变暖的温室气体。因此一直以来,科学家都试图研究出新的制冷技术,希望能提高制冷效率、降低成本并减小体积。

  那么制冷和橡皮有什么关系呢?如果你拉伸一根橡皮筋,然后将它贴在嘴唇上,就能注意到它明显变暖了——一旦松开皮筋,它就会冷却。将一根橡皮筋拉伸能使橡胶的温度升高,释放拉伸能使其温度下降,这种效应被称为“弹性热冷却”(elastocaloric cooling)。这种弹性热效应传递热量的方式与冰箱或空调中压缩和扩张液体制冷剂的方式非常相似。

  其实,天然橡胶的这种弹性热效应自 19 世纪初期就已为人所知,但若要想要将这种方法用于降温,则释放的必须是拉伸到非常大的距离的橡胶。

  在新的研究中,科学家发现除了拉伸之外,还可以加上扭转,从而发展出了一种或许能带来更环保冷却技术的方法。研究人员将这一发现发表在了近期的《科学》杂志上。

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  为了弄清楚扭转在“冷却”中所起到的功效,南开大学的研究人员详细地比较了橡胶纤维尼龙聚乙烯鱼线以及镍钛合金线的冷却能力。在实验中,他们将每种材料置于老虎钳中拉紧 3 厘米的长度,然后用旋转工具让它们缠绕,使得这些纤维不仅开始发生扭转,而且还开始绕着自身盘成盘——这一过程被称为“超螺旋”。

  他们先测试了可拉伸的橡胶纤维,将它们拉伸然后扭转,再盘旋成超螺旋。当快速释放扭转时,发现表面温度可以冷却 15.5℃;当扭曲和拉伸全部被释放时,总温度可以降低 16.4℃。

  在测试非弹性的鱼线时,研究人员将鱼线扭转直到盘绕起来,盘绕收紧着的鱼线圈会产生热量,而被释放时,其表面最多冷却了 5.1℃。这是很不寻常的,因为普通材料只有在被拉伸时才会发热。

  为了研究如鱼线这样的材料为何会在扭转后变热,研究人员借助X射线晶体学。他们用X射线检测每根纤维的分子结构,发现扭转的机械应力会将分子重新排列成更有序的状态,但系统的总序维持不变,因此要以一部分分子振动的增加作为交换,从而导致了温度的升高

  通过在水浴中对这些纤维进行扭转和展开,研究人员测量了它们作为冷却剂的性能。对橡胶纤维来说,他们测得的结果是每克大约能产生 20 焦耳的热量交换,这是旋转工具所消耗能量的 8 倍。其他纤维也有类似的优异表现,这种水平的效率已与标准冷却剂相当,并且其效率是不加扭转的情况下对相同材料进行纯拉伸的两倍。

  作为展示,他们建造了一个由镍钛合金线供电的小型冰箱,它的大小只有圆珠笔的笔芯一般大。通过使用这种“扭转热”效应方法,他们在几秒钟之内就成功地将一小部分水冷却了8°C。接下来,研究小组计划在一个重复的循环系统中运行这一装置,交替进行水的加热和冷却。研究人员认为,通过更大的扭转和释放扭转,还可以实现更大幅度的冷却。

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  这些初步发现具有各种可商业化的应用,它能避免对液体制冷剂的需求,从而不会面临液体制冷剂因泄漏而导致全球变暖的问题。尽管制造商们已经逐步淘汰了对臭氧层会造成破坏的氯氟碳化合物,但如今大多数系统中所使用的其他化学物质仍是温室气体,其威力是二氧化碳的好几倍。

  但在真正实现应用之前,前进的道路也充满了挑战。比如其中一个挑战就是,他们需要某些能通过回收部分输入的机械能,来产生实际应用所需的循环寿命和效率的精密设备和材料,这需要性能非常优越的扭转热材料。

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