更加高效、節能、綠色、便攜的製冷方式是人類不懈探索的方向。10月11日在線出版的《科學》（Science）雜誌刊文，報導了中國南開大學與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校的一支國際聯合研究團隊研獲的一種柔性製冷新策略——「扭熱製冷」。他們發現，改變纖維內部的捻度可以實現降溫。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，基於這種方法製成的「扭熱
冰箱」也變得前景可期。
這項發現來自於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劉遵峰教授團隊與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校教授、南開大學楊石先講座教授雷·鮑曼(Ray H.Baughman)團隊的合作研究。劉遵峰、雷·鮑曼為論文共同通訊作者，南開大學為論文第一單位。
節省電能 降低成本
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%。如今被廣泛應用的空氣壓縮原理製冷，其卡諾效率一般低於60%。傳統的冰箱在製冷過程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。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。
橡皮筋拉伸會發熱，縮回後溫度會降低，這種現象叫「彈熱製冷」。其他固態製冷技術還包括電熱製冷、磁熱製冷以及鎳鈦合金形狀記憶材料等新型方案。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19世紀早期就已被發現。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。通過「扭熱製冷」技術，人們只需要解捻就可以實現。「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。」劉遵峰說。
體積更小 效率更高
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，實現提高效率、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。
「這一結果高於使用『彈熱製冷』技術的降溫：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』降溫可達16.4攝氏度。」劉遵峰說，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%。
釣魚線也能製冷？
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，我們發現，『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。」劉遵峰說。
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，而直接拉伸/釋放該材料卻幾乎觀察不到溫度變化。「這種聚乙烯纖維的『扭熱製冷』原理是在拉伸-收縮過程中，螺旋內部捻度降低，從而導致能量的變化。」劉遵峰說，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。
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。一個製冷周期，只需要30秒左右。」劉遵峰說。
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。
可以對流水進行降溫
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。「通過使用相反的加捻和螺旋方向，我們可以實現拉伸製冷。這種現象很奇特。」雷·鮑曼說。
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。
「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周期性分布所致。
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。」劉遵峰說，基於「扭熱製冷」原理，一些纖維也可用於智能變色織物。
「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」，雷·鮑曼說，「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」。
劉遵峰認為，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。
據了解，清華大學、武漢大學、喬治亞
南方大學、清華大學深圳國際研究生院、林德科（美國）研究中心、巴西坎皮納斯州立大學、
天津理工大學、
遼寧科技大學、中國藥科大學等單位參與了此項研究。