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扭一扭 就制冷

2019-10-15 中國科學報 唐鳳
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  有一種柔性制冷新策略,可通過加捻和解捻就實現纖維制冷。在近日在線發表于《科學》的研究報告中,南開大學和美國得克薩斯州立大學達拉斯分校的研究人員展示了這種基于捻曲技術的制冷方案。該方案可適用于多種材料,包括天然橡膠、普通的釣魚線以及鎳鈦合金。

  “我們的研究顯示,通過改變纖維內部的捻度可以實現降溫,我們稱這種制冷方式為‘扭熱制冷’,基于這種方法的設備稱為‘扭熱冰箱’。”得克薩斯州立大學達拉斯分校麥克德爾米德納米技術研究所教授Ray Baughman說。

  據統計,目前世界上使用空調和冰箱制冷,消耗的電能約占全球電能損耗的20%。傳統冰箱在制冷過程釋放出的氣體將加劇地球的溫室效應。隨著人類對制冷需求的增加,進一步提高制冷效率、降低成本,并縮小機器的尺寸,成為當務之急。

  橡皮筋拉伸會發熱,縮回后溫度會降低,這種現象叫彈熱制冷。“基于天然橡膠的彈熱制冷早在19世紀早期就已經被發現了,但要得到較好制冷效果,需要預先將橡膠拉伸到很長,而通過‘扭熱制冷’,你只需要解捻就可以實現。”Baughman說。

  在本項研究中,Baughman團隊和南開大學教授劉遵峰團隊,將橡膠纖維拉長、加捻,使其逐漸形成螺旋、直到生成超螺旋結構,迅速解捻可使橡膠表面降低約15.5攝氏度,而同時解捻和收縮,將產生高達16.4攝氏度的降溫。

  該扭熱制冷策略也適用于釣魚線。研究人員對剛性的高分子魚線進行加捻,形成螺旋。結果顯示,螺旋拉伸溫度會升高,縮回后溫度降低,最大降溫可達5.1攝氏度。

  為研究聚乙烯魚線的制冷原理,研究人員采用X射線衍射對加捻的螺旋纖維拉伸前后進行了觀測。結果顯示,螺旋結構的纖維拉伸后,其低熵態結構部分轉變為高熵態。劉遵峰表示,這種相轉變是實現聚乙烯魚線扭熱制冷的本質原因。

  此外,通過對鎳鈦合金絲進行解捻,也可以獲得很好的制冷效果。研究人員使用3根鎳鈦合金絲制作了一個制冷器件原型,解捻對流動的水實現了多達7.7攝氏度的制冷效果。

  此外,研究人員將熱致變色涂料涂覆在多種纖維表面,在纖維加捻和解捻過程中,可以觀察到纖維變色。這種變色纖維可用作新型傳感元件,實現對纖維捻度和長度變化進行遠程光學測量,制備可穿戴、肉眼可讀的傳感器,以及智能變色織物。

打印 責任編輯:侯茜

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