中美学者开创神奇制冷方式：“拧麻花”完胜空气压缩

空调和冰箱制冷消耗了全球 20% 的电能，这是温室效应的重要组成部分。如何更有效减排，更绿色的制冷设备是科学家的努力方向之一。

图 |“扭热制冷”中，对橡胶纤维加捻会生成不同的结构：加捻、部分螺旋、全部螺旋和超螺旋。（来源：南开大学）

南开大学与美国得克萨斯大学达拉斯分校研究人员合作发现，橡胶、鱼线和镍钛合金等材料经过加捻“拧麻花”可以实现制冷，其制冷效率更高，具备体积小、效能高、绿色无污染等优势。

10 月 11 日，这项研究以“research article”（研究论文）形式发表在《科学》（Science）上。

扭热制冷是首次发现

橡皮筋拉伸会发热，缩回后温度会降低。这是因为橡皮筋中的聚合物纤维是随机取向，当其受力拉伸时，纤维就会变成一致有序的取向。这就意味着熵的减少。当放松橡皮筋时，恢复成混乱的纤维排序就意味着更高的熵，也就意味着降温。

同样，一些形状记忆材料也可以用来实现类似效果，这种“弹热制冷”是目前绿色制冷技术的潮流，在美国能源部关于新型制冷技术评估报告中，弹热制冷效应位列 17 种未来最具潜力的非气-液压缩制冷技术的第一位。

只是橡皮筋的“弹热制冷”需要拉伸 6 到 7 倍，也就是说这种制冷方式会占据很大的空间，并且目前“弹热制冷”的卡诺效率通常只有约 32%。

“扭热制冷”则是本次研究发现的一种新弹热制冷策略。具体而言，先对 2.5 毫米的橡胶材料加捻（拧），然后通过解捻获得明显降温，其卡诺效率可达 67%，这个数据超过传统空气压缩制冷的最高值 60%。卡诺效率是衡量热机最大工作效率的指标。

研究人员将橡胶弹性体两端固定，从一端旋转加捻使其形成超螺旋结构，并将其拉长一倍（100% 应变），随后快速释放即可实现降温 15.5 摄氏度。并且，获得相同降温效果的情况下，“扭热制冷”的体积仅为“弹热制冷”的 2/7，“扭热制冷”的卡诺效率可达 67%。

除了橡胶，普通的钓鱼线也能实现“扭热制冷”。研究还发现，强度更大、传热更快的镍钛形状记忆合金制冷效果更佳，较低的捻度就会获得比较大的降温。记忆合金之所以能如此，是因为其晶体组织能够在不同温度下进行形状切换。

研究还显示，将 4 根镍钛合金丝加捻并解捻，最大降温可达 20.8 摄氏度，其一个制冷周期只有 30 秒左右。他们还制作了一个基于“扭热制冷”的冰箱模型，使用 3 根镍钛合金丝每厘米旋转 0.87 圈，可以让周围的流水获得 7.7 摄氏度的降温。

还有一个新发现是，通过反向加捻和螺旋，可以实现拉伸制冷。这种现象很奇特。即反向螺旋结构的形状记忆材料在拉伸下会降温。

马里兰大学材料学家 Ichiro Takeuchi 认为，需要担心的是，要让冰箱进行长期运行，材料需要承受多达数百万次的加捻。另外，这个冰箱原型放大尺寸后的运行会如何尚未可知。

另外，如果将镍钛合金丝表面涂上热致变色涂料，可以制成“扭热制冷”变色纤维。在加捻和解捻的过程中，该纤维会发生可逆的颜色变化。

专访通讯作者之一、南开大学药学院/药物化学生物学国家重点实验室刘遵峰教授

图 |“扭热制冷”的冰箱模型。使用镍钛合金丝或弹性体纤维的“扭热制冷”装置可以对流水进行降温。（来源：南开大学）

DeepTech：你们的扭热制冷冰箱雏形长什么样子呢？

刘遵峰：它是很简单的非循环的一次性制冷装置，有一个进口和一个出口，流水经过就成为低温水。合金丝直径为 0.6 毫米，水流量为 0.04 毫升每分钟。设备包括电机、镍钛合金丝、聚丙烯水管、热电偶、橡胶管和密封端口的环氧树脂。

DeepTech：与普通电冰箱相比，扭热制冷的冰箱能耗是怎样的？

刘遵峰：现在最好的冰箱卡诺效率是 60%，我们用橡胶在实验室初步的扭热制冷可以达到 67%，也就是说能耗效率提高了 11.67%。并且，这是实验室初步结果，在工业化实现中，经过材料等工程优化之后会有更好的结果。

DeepTech：扭热制冷是首次发现吗？你们是如何找到这个思路的？

刘遵峰：我们是做材料研究的，比较关注材料的一些基本性质，我们曾经用扭转的方式做了一些人工肌肉以及弹性可穿戴的器件。

我们偶然发现，材料扭转对热敏感，其基本原理就像人们在拧水洗的衣服，你去扭它的时候，其中的能量就可以被扭出来，这也就是拉伸该螺旋可以升温，螺旋缩回后温度降低。

可以这样理解，这些材料结构在扭转加捻后发生了变化，比如说橡胶材料发生了熵的变化，镍钛合金丝发生了晶体结构的变化，这些不同结构所处的能量状态不一样，那么加捻后能量就吸收或释放出来了。

对于不同材料而言，有的材料能量变化小，就相当于有的衣服吸水多，有的衣服吸水少，那么其能量吸收或释放就少。

DeepTech：反捻也就是反拧就会得到相反的结果，也可以用于冰箱持续制冷吧？

刘遵峰：对，“反扭热制冷”也是一个新的发现，加捻和解捻会产生降温和升温。如果要持续制冷，都需要正向和反向交替，来实现持续制冷。

图 | 刘遵峰（来源：南开大学）

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