在10月11日在線出版的《Science》上，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、藥學院、功能高分子教育部重點實驗室的劉遵峰教授與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校（UT Dallas）的Ray Baughman教授領導的國際研究團隊報道了一種柔性製冷新策略—"扭熱製冷"。該研究團隊發現，
對纖維加捻可以發熱，而解捻可以獲得很明顯的降溫。由於製冷效率更高、體積更小且適用於天然橡膠、釣魚線以及鎳鈦合金等多種普通材料，基於這種方法制成的"扭熱冰箱"前景可期。
為了你能吹上空調吃上雪糕，科學家操碎了心
夏天，很多人都會感慨，"這條命就是空調給的"。根據國際製冷研究機構的數據統計，目前世界上使用空調和冰箱製冷消耗的電能約佔全球電能損耗的20%，並且耗電量隨地球變暖和發展中國家製冷的需求增加將繼續增加。目前空調製冷廣泛應用的是空氣壓縮原理，其卡諾效率，卡諾循環(可逆循環)下熱機高溫和低溫之間工作的效率，一般低於60%。另一方面，傳統的冰箱在製冷過程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。
除此之外，目前還有其他的製冷技術。如橡皮筋拉長會發熱，縮回來溫度降低，這種現象叫做彈熱製冷。還有電熱製冷、磁熱製冷、以及鎳鈦合金形狀記憶材料等新型製冷方案，比如車載小冰箱就使用了電熱製冷技術。但是這些製冷技術的卡諾效率均未超過空氣壓縮製冷技術。基於天然橡膠的"彈熱製冷"早在十九世紀早期就已經被發現。但是，要得到較好的製冷效果，需要預先將橡膠拉伸到很長的尺寸，這對空間大小會有很高的要求。
隨著人類對製冷需求的增加，探索新型製冷理論和方案，進一步提高製冷效率，降低成本並減小製冷設備的尺寸，成為當務之急。
扭一扭就能實現製冷？靈感怕不是來源於"麻花"
· "扭熱製冷"中，對橡膠纖維加捻會生成不同的結構：從左至右分別是加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋。橡膠直徑：2.5 mm，預拉伸應變：200%。（圖片來源：Science, 2019, 366, 216，圖片背景被移除。）
通過"扭熱製冷"技術，人們只需要解捻就可以實現製冷。初步的實驗證實，'扭熱製冷'技術的卡諾效率可以達到67%。這意味著，通過使用橡膠、釣魚線等普通材料進行製冷，有望獲得更高卡諾效率，從而節省更多電能，降低製冷成本。
使用橡皮筋進行"彈性製冷"，需要將其拉伸至自身長度的6到7倍，然後縮回去。這意味的製冷需要很大的體積。而且，目前"彈性製冷"的卡諾效率比較低，通常只有約32%。能否開發出新的方法進行製冷，來提高效率、減小體積是困擾科研人員的難題。
研究人員將纖維狀的橡膠彈性體兩端固定，然後從一端旋轉加捻，使其形成一種超螺旋結構。將橡膠纖維拉長一倍（100%應變），隨後快速釋放。研究人員發現，該橡膠纖維的溫度可降低15.5攝氏度。這比使用'彈熱製冷'技術的降溫要省體積，並且製冷效果更好。拉長7倍的橡膠收縮降溫為12.2攝氏度。如果將伸長和加捻均釋放，該'扭熱製冷'法降溫可達16.4攝氏度。獲得相同降溫效果的情況下，"扭熱製冷"的體積僅為"彈熱製冷"的2/7，"扭熱製冷"的卡諾效率可達67%。
· "扭熱製冷"過程中，天然橡膠纖維顯示的溫度變化。橡膠直徑為2.2mm。（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）
釣魚線也能製冷？效率還挺高
研究人員介紹，橡膠作為"扭熱製冷"材料，還有很多空間可以改進。比如，橡膠質地較軟，需要捻很多圈才能獲得比較明顯的降溫，其傳熱速度較慢，還需要考慮材料的反覆使用、耐久性等問題。因此，探索其他"扭熱製冷"材料成為研究團隊的一個重要突破方向。
有趣的是，研究者們發現，'扭熱製冷'方案也適用於釣魚線、紡織線。之前，人們並沒有意識到這些普通的材料可以用來進行製冷。
研究人員先將這些剛性高分子纖維加捻並形成螺旋結構。這種螺旋結構的高分子纖維也曾被用來製備強勁的"人工肌肉"。拉伸該螺旋可以升溫，螺旋縮回後溫度降低。
實驗發現，使用"扭熱製冷"技術，聚乙烯編織線可以產生5.1攝氏度的降溫效果，而直接拉伸/釋放該材料卻幾乎觀察不到溫度變化。在拉伸-收縮過程中，聚乙烯纖維螺旋內部捻度降低，從而導致能量的變化。這些比較堅硬的材料，比橡膠纖維更為耐久，而且在拉伸很短的情況下，降溫幅度也超過橡膠。
· 用於"扭熱製冷"的釣魚線。自螺旋（上圖）和中空卷繞螺旋並固化（下圖）的尼龍-6纖維圖。纖維直徑為0.6 mm。標尺：1.0 mm (上圖) ，2.0 mm (下圖)。（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）
研究人員還發現，將"扭熱製冷"技術應用於強度更大、傳熱更快的鎳鈦形狀記憶合金時，製冷效果更佳，且只需要加入較低的捻度，就會獲得比較大的降溫。
研究人員將四根鎳鈦合金絲放在一起加捻，解捻後最大降溫點可達20.8攝氏度，整體平均降溫也可達到18.2攝氏度。這要略高於使用'彈熱製冷'技術獲得的17.0攝氏度降溫。一個製冷週期，只需要30秒左右。
研究人員還製作了一個基於"扭熱製冷"技術的冰箱模型，可以對流動的水進行降溫。他們使用三根鎳鈦合金絲作為製冷材料，每釐米旋轉0.87圈，可以獲得7.7攝氏度的降溫。
· "扭熱製冷"的冰箱模型。使用鎳鈦合金絲或彈性體纖維的"扭熱製冷"裝置可以對流水進行降溫（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）
"反扭熱製冷"效應和"扭熱製冷"變色
一般情況下的使用釣魚線的"扭熱製冷"現象為：拉伸升溫、收縮降溫。然而，如果使用相反的加捻和螺旋方向，研究人員可以實現拉伸製冷。
將纖維加捻後繞成螺旋，如果纖維的加捻方向與製備的螺旋方向相反，可以製成"反向螺旋"。與常規的"扭熱製冷"效應不同，這種"反向螺旋"結構的橡膠彈性體和魚線，在拉伸下會降溫，這種新奇的現象稱為"反扭熱製冷"效應。
· 纖維加捻後製備的反向螺旋（左圖）和正向螺旋（右圖）的示意圖（圖片來源：Science, 2014, 343, 868-872）
"扭熱製冷"中的另外一個特殊現象是纖維不同部位呈現不同的溫度（在紅外成像儀中，會發現升溫會顯示為紅色，降溫顯示為藍色）。這是由於纖維加捻產生的螺旋沿纖維長度方向的週期性分佈所致。
· "扭熱製冷"的週期性溫度分佈。具有螺旋結構天然橡膠纖維被拉伸後（上圖）和釋放拉伸後（下圖）的紅外圖像和光學圖像。紅色表示加熱，藍色表示降溫。（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）
加個塗層，還能知道材料扭了幾圈，降溫了幾度？
研究人員將鎳鈦合金絲表面塗覆熱致變色塗料，可以製成"扭熱製冷"變色纖維。在加捻和解捻的過程中，該纖維會發生可逆的顏色變化。它可用作新型傳感元件，對纖維捻度進行遠程光學測量。比如，通過使用肉眼觀察顏色的變化，就可以知道遠處的材料轉了幾圈，這是一種非常簡易的傳感器。基於"扭熱製冷"原理一些纖維也可用於智能變色織物。比如，通過將纖維拉長一點點，使它的顏色發生變化，就可以給遠處的人發出信號，傳遞各種信息，比如危險信號、需要求助、是否可以通行等等。做在衣服裡面，通過長度變化來進行變色，就像羽毛可以變色的鳥兒一樣，成為一種新潮的裝飾或衣服等。
· 利用"扭熱製冷"實現顏色變化的纖維。表面塗覆有熱致變色塗料的鎳鈦合金絲加捻和解捻後的顏色變化圖像。（圖片來源：Science, 2019, 366, 216）
這些初步的發現距離'扭熱冰箱'的商業化依然有很長的路要走，也存在很多機遇與挑戰。這些挑戰包括，開發新型的器件與材料以提高循環使用壽命，合理利用輸入功以提高效率。潛在的機遇包括，除使用商業化的現有材料，進一步優化'扭熱製冷'材料，獲得最佳的性能。
該研究發現的這種新型製冷技術，為製冷領域擴充了一個新的板塊，將為降低製冷領域能源損耗提供一種新的途徑。
出品：科普中國
製作：劉遵峰 （南開大學）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
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