中美學者開創神奇製冷方式:「擰麻花」完勝空氣壓縮|獨家專訪

空調和冰箱製冷消耗了全球 20% 的電能，這是溫室效應的重要組成部分。 如何更有效減排，更綠色的製冷設備是科學家的努力方向之一。

圖 |「扭熱製冷」中，對橡膠纖維加捻會生成不同的結構： 加捻、部分螺旋、全部螺旋和超螺旋。 （來源： 南開大學）

南開大學與美國德克薩斯大學達拉斯分校研究人員合作發現，橡膠、魚線和鎳鈦合金等材料經過加捻 「擰麻花」 可以實現製冷，其製冷效率更高，具備體積小、效能高、綠色無汙染等優勢。

10 月 11 日，這項研究以「research article」（研究論文）形式發表在《科學》（Science）上。

扭熱製冷是首次發現

橡皮筋拉伸會發熱，縮回後溫度會降低。這是因為橡皮筋中的聚合物纖維是隨機取向，當其受力拉伸時，纖維就會變成一致有序的取向。這就意味著熵的減少。當放鬆橡皮筋時，恢復成混亂的纖維排序就意味著更高的熵，也就意味著降溫。

同樣，一些形狀記憶材料也可以用來實現類似效果，這種「彈熱製冷」是目前綠色製冷技術的潮流，在美國能源部關於新型製冷技術評估報告中，彈熱製冷效應位列 17 種未來最具潛力的非氣-液壓縮製冷技術的第一位。

只是橡皮筋的「彈熱製冷」需要拉伸 6 到 7 倍，也就是說這種製冷方式會佔據很大的空間，並且目前「彈熱製冷」的卡諾效率通常只有約 32%。

「扭熱製冷」則是本次研究發現的一種新彈熱製冷策略。 具體而言，先對 2.5 毫米的橡膠材料加捻（擰），然後通過解捻獲得明顯降溫，其卡諾效率可達 67%，這個數據超過傳統空氣壓縮製冷的最高值 60%。 卡諾效率是衡量熱機最大工作效率的指標。

研究人員將橡膠彈性體兩端固定，從一端旋轉加捻使其形成超螺旋結構，並將其拉長一倍（100% 應變），隨後快速釋放即可實現降溫 15.5 攝氏度。並且，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%。

除了橡膠，普通的釣魚線也能實現「扭熱製冷」。研究還發現，強度更大、傳熱更快的鎳鈦形狀記憶合金製冷效果更佳，較低的捻度就會獲得比較大的降溫。 記憶合金之所以能如此，是因為其晶體組織能夠在不同溫度下進行形狀切換。

研究還顯示，將 4 根鎳鈦合金絲加捻並解捻，最大降溫可達 20.8 攝氏度，其一個製冷周期只有 30 秒左右。 他們還製作了一個基於「扭熱製冷」的冰箱模型，使用 3 根鎳鈦合金絲每釐米旋轉 0.87 圈，可以讓周圍的流水獲得 7.7 攝氏度的降溫。

還有一個新發現是，通過反向加捻和螺旋，可以實現拉伸製冷。 這種現象很奇特。 即反向螺旋結構的形狀記憶材料在拉伸下會降溫。

馬裡蘭大學材料學家 Ichiro Takeuchi 認為，需要擔心的是，要讓冰箱進行長期運行，材料需要承受多達數百萬次的加捻。 另外，這個冰箱原型放大尺寸後的運行會如何尚未可知。

另外，如果將鎳鈦合金絲表面塗上熱致變色塗料，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。

專訪通訊作者之一、南開大學藥學院/藥物化學生物學國家重點實驗室劉遵峰教授

圖 |「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。 （來源： 南開大學）

DeepTech：你們的扭熱製冷冰箱雛形長什麼樣子呢？

劉遵峰： 它是很簡單的非循環的一次性製冷裝置，有一個進口和一個出口，流水經過就成為低溫水。 合金絲直徑為 0.6 毫米，水流量為 0.04 毫升每分鐘。 設備包括電機、鎳鈦合金絲、聚丙烯水管、熱電偶、橡膠管和密封埠的環氧樹脂。

DeepTech：與普通電冰箱相比，扭熱製冷的冰箱能耗是怎樣的？

劉遵峰： 現在最好的冰箱卡諾效率是 60%，我們用橡膠在實驗室初步的扭熱製冷可以達到 67%，也就是說能耗效率提高了 11.67%。 並且，這是實驗室初步結果，在工業化實現中，經過材料等工程優化之後會有更好的結果。

DeepTech：扭熱製冷是首次發現嗎？你們是如何找到這個思路的？

劉遵峰： 我們是做材料研究的，比較關注材料的一些基本性質，我們曾經用扭轉的方式做了一些人工肌肉以及彈性可穿戴的器件。

我們偶然發現，材料扭轉對熱敏感，其基本原理就像人們在擰水洗的衣服，你去扭它的時候，其中的能量就可以被扭出來，這也就是拉伸該螺旋可以升溫，螺旋縮回後溫度降低。

可以這樣理解，這些材料結構在扭轉加捻後發生了變化，比如說橡膠材料發生了熵的變化，鎳鈦合金絲發生了晶體結構的變化，這些不同結構所處的能量狀態不一樣，那麼加捻後能量就吸收或釋放出來了。

對於不同材料而言，有的材料能量變化小，就相當於有的衣服吸水多，有的衣服吸水少，那麼其能量吸收或釋放就少。

DeepTech：反捻也就是反擰就會得到相反的結果，也可以用於冰箱持續製冷吧？

劉遵峰： 對，「反扭熱製冷」也是一個新的發現，加捻和解捻會產生降溫和升溫。 如果要持續製冷，都需要正向和反向交替，來實現持續製冷。

圖 | 劉遵峰（來源：南開大學）

DeepTech：你們是依據哪些原則來篩選扭熱製冷材料的？

劉遵峰： 這要根據材料結構變化過程中能量的變化情況，還有一個因素是成本，以及耐久性（使用壽命）。

DeepTech：關於這個項目，你們下一步計劃是怎樣的？

劉遵峰： 繼續研發新的材料，用來提高製冷溫度、導熱率、效率等，並進一步開發可以實用的製冷電器。

參考文獻

https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216

http://www.liuzunfeng.com/news/201975.html

https://arstechnica.com/science/2019/10/what-if-your-refrigerator-cooled-your-food-by-twisting-wires/

https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/twistocaloric-cooling/