你敢相信吗？橡皮筋也能用来制冷，甚至可以用它来制作一台“冰箱”！
今年10月11日，南开大学刘遵峰教授团队与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校雷·鲍曼（Ray H.Baughman）教授团队在《Science》上发表一篇论文，描述了扭转热制冷的现象。
他们发现，把橡胶纤维、尼龙线、聚乙烯钓鱼线、镍钛合金线充分拉伸、扭转并快速释放，可以起到为周边环境降温的效果。这使得“橡皮筋制冷”不再是天方夜谭。
为什么扭转后的材料有吸热制冷的本领呢？有没有可能用橡皮筋制作出一台真正可以使用的冰箱呢？
故事要从200多年前说起。那时双目失明的英国自然与实验哲学家高夫（John Gough）凭借着他对温度细腻的感知能力发现：迅速拉伸橡皮筋时，周围空气温度会上升；橡皮筋快速收缩时，温度会下降。
50年后，物理学家焦耳（JamesJoule）从科学的角度证实了这种现象的存在，人们把这种现象称为弹热效应，或是“高夫-焦耳效应”。
焦耳（James Joule）
不过这种效应一直没有受到发明家们的重视。原因很简单，要想让橡皮筋吸收足够的热量，达到制冷的效果，就要预先把它拉到原来的6~7倍长，这样很占用空间，也很难设计出一台反复不断拉伸橡皮筋的机器。
更重要的是，橡皮筋弹热效应的制冷效率仅仅约30%。这种“冰箱”消耗的能量只有很少一部分能量用于制冷，大部分都被浪费掉了。
那么，有没有别的办法，让弹热效应更加显著，效率更高呢？
时间回到现在，从事材料研究的刘遵峰教授时常要对材料进行扭转、解除扭转等处理，他发现这个过程中材料往往伴随着吸热与放热，与弹热效应十分相似。那么，与扭转相伴而来的热量变化能否用于制冷呢？
于是，刘遵峰团队与得克萨斯州立大学的雷·鲍曼（Ray Baughman）教授合作，用不同的材料开展了一系列关于扭转制冷的实验。
左：刘遵峰，右：雷·鲍曼（Ray Baughman）
他们把橡胶纤维充分扭转并同时拉伸1倍，橡胶纤维被迅速释放后，其制冷效果相当于把同样的橡胶纤维直接拉伸7倍后释放。
在其他材料上也有相同的现象，扭转热效应的降温效果远超单一的弹热效应。并且，扭转程度越高，被释放时的降温越明显。
刘遵峰团队还用3根镍钛记忆合金丝制作了一台“扭转热冰箱”模型。该装置将3根合金丝的两端固定后同时扭转，然后迅速释放扭转，并将待冷却的水注入。被瞬间释放的合金丝吸收周围水的热量，使水的温度降低。
经过测量与统计，这个“扭转热冰箱”可以让水温下降7.7℃，并具有很高的效率，超过了普通压缩机冰箱内的制冷剂。
“扭转热冰箱”模型
不过，这种“橡胶纤维制冷”冰箱还仅停留在实验室内，要想真正问世，为我们所用，还需要克服一系列技术上的难关，并接受市场的考验。
说到这儿，我们知道了扭转并快速释放物体会使它吸收热量的现象。那么这个现象背后，到底藏着怎样的物理原理呢？
要想探究扭转热效应的本质，我们需要进入微观世界，看看被扭转的物体内部发生了什么。
以尼龙线、聚乙烯钓鱼线为例，它们都是高分子材料，由许多长链状的分子构成，当被充分扭转时，其内部分子的形状和分子之间的排列方式会发生改变，形成新的微观结构；当扭转被释放，其内部又会恢复到原来的微观结构，这个过程叫做相变。
被扭转的尼龙和聚乙烯线
大家不要被相变这个新名词吓到，我们每天都在和它打交道。现在，北京二环边上的护城河已经结了一层冰，水结成冰、冰熔化成水就是生活中最常见的相变。
有些相变伴随着热量的吸收与释放。当水结成冰时会向外界放出热量，当冰化成水时会向外界吸收热量。
聚乙烯钓鱼线也一样，当它被充分扭转时，发生相变，同时向外界放出能量，使外界温度升高。
当扭转被释放，钓鱼线回到舒展、松弛的状态时，其内部微观结构也通过相变回到了原来的状态，同时吸收外界的热量，使外界温度降低，达到制冷的目的。
镍钛合金丝的制冷原理也与之相同，被充分扭转的镍钛合金丝内部为马氏体结构，扭转被释放后，发生相变，转变为奥氏体结构，同时吸收热量，为外界降温。
说到这里，可能有小伙伴会产生这样的疑问：虽然迅速释放扭转的材料可以为外界降温，但是扭转材料本身是需要放出热量并使环境温度增加的。
热量一会儿被吸收，一会儿又被释放，外界温度难道不会也随之一会儿降低，一会儿增加吗？怎么能保证这个冰箱能持续地制冷呢？
这个问题在理论上很好解决，我们家家户户都有的空调和压缩机冰箱就能告诉我们答案。
如果你仔细观察就会发现，夏天屋里空调吹冷风时，室外机就会源源不断地向外涌出热风；冰箱正常制冷时，冰箱门里冰冰凉凉的，而冰箱的外表面却很温热。
其实冰箱和空调并会不凭空地让热量消失，而是把热量从一个地方转移到了另外一个地方，一边为一个地方制冷，一边为另一个地方加热。
传统压缩机冰箱的原理和“扭转热冰箱”的原理有相似之处，都是靠着某一种物质相变带来的热量变化来制冷和加热的。
压缩机冰箱内循环流动着制冷剂，制冷剂相变带来的热量变化可以为冰箱内部制冷。
液态的制冷剂经过靠近冰箱内壁的蒸发器后，会蒸发转变为气态，同时吸走大量热量，给冰箱内降温。
随后，气态制冷剂通过压缩机加压，并经过靠近冰箱外侧的冷凝器冷凝，从气态再次转变为液态，同时释放大量热量，使冰箱外的温度升高。
液态的制冷剂经过节流毛细管减压，再次来到蒸发器中发生相变，进入下一个循环。如此循环往复下去，就能为冰箱内部持续地制冷。
讲到这里，想必聪明的小伙伴已经想到了解决的思路。
当材料被扭转，发生相变并放热时，将冰箱内部与该材料隔绝，只允许热量从被扭转的材料向外传递，为冰箱外侧加热。同时，需要用散热器将冰箱外侧过多热量排出。
当扭转的材料被迅速释放，恢复成原来的样子，发生相变并吸热时，将冰箱外部与该材料隔绝，只允许冰箱内的热量被吸走，从而降低冰箱内温度。
这样一来，经过材料不断地被扭转、被释放，冰箱内的热量会一次次地被吸走并最终转移到冰箱外侧。
不过，压缩机冰箱的制冷剂是液体或固体的形态，可以不断地流入流出冰箱，交替地为冰箱内外制冷或加热。
像合金丝这样的固体材料，需要固定在一个特定的位置，如何让它只向冰箱内吸收热量，并且只向冰箱外释放热量成为了棘手的难题。这也是阻碍“扭转热冰箱”从实验室走向千家万户的瓶颈。
也许未来的科学家、工程师或是现在正在读这篇文章的你能脑洞大开，设计出一种新型的传热机构，让“扭转热冰箱”能更方便日常地供我们使用与操作，最终进入寻常百姓家。
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