image: This natural rubber fiber has been coated with a paint that changes color when the fiber changes temperature. University of Texas at Dallas researchers and their colleagues in China recently showed that when the rubber fiber is twisted, it heats up (yellow in the photo). After reaching room temperature, the fiber cools as it is subsequently untwisted (dark brown). view more
Credit: University of Texas at Dallas
由南开大学和德克萨斯州立大学达拉斯分校（UT Dallas）领导的国际研究团队报道了一种柔性制冷新策略，可通过加捻和解捻实现纤维制冷。
在10月11日在线出版的《Science》上，研究人员展示了这种基于捻曲技术的制冷方案。该方案可适用于多种材料，包括天然橡胶、普通的钓鱼线、以及镍钛合金。
“我们的研究显示，通过改变纤维内部的捻度可以实现降温，我们称这种制冷方式为‘扭热制冷’，基于这种方法的设备称为‘扭热冰箱’”，德克萨斯州立大学达拉斯分校（UT Dallas）麦克德尔米德纳米技术研究所的Ray Baughman教授说。Ray Baughman教授和南开大学药物化学生物学国家重点实验室和药学院的刘遵峰教授是该研究的共同通讯作者。
对新技术的 渴求
根据国际制冷研究所的统计，目前世界上使用空调和冰箱制冷，消耗的电能约占全球电能损耗的20%。传统的冰箱在制冷过程释放出的气体将加剧地球的温室效应。
随人类对制冷需求的增加，尤其是发展中国家的需求更加显著，继续研发出替代技术，进一步提高制冷效率，降低成本，并减小机器的尺寸，成为当务之急。
橡皮筋拉伸会发热，缩回后温度会降低，这种现象叫弹热制冷。其他固态制冷技术还包括电热制冷和磁热制冷，这两种方式通过电场和磁场的变化来实现制冷。
“基于天然橡胶的弹热制冷早在十九世纪早期就已经被发现了。但是要得到较好制冷效果，需要预先将橡胶拉伸到很长的尺寸，”Baughman说，“通过‘扭热制冷’技术，你只需要解捻就可以实现。”
实验方案
Baughman教授研究组之前报道了对多种纤维加捻可以制备出人工肌肉，包括碳纳米管、普通的尼龙线、以及聚乙烯鱼线。
在本项研究中，研究人员将橡胶纤维拉长，加捻，橡胶逐渐形成螺旋、直到生成超螺旋结构。迅速解捻可以观察到橡胶表面降低可达15.5摄氏度。同时解捻和收缩，将产生高达16.4摄氏度的降温。
该“扭热制冷”策略也适用于钓鱼线。研究人员对刚性的高分子鱼线进行加捻，形成螺旋。螺旋拉伸温度会升高，缩回后温度降低，最大降温可达5.1摄氏度。
“通过使用相反的加捻和螺旋方向，我们可以实现拉伸制冷”， Baughman说，“这种现象很奇特，因为普通材料拉伸的时候通常会升温”。Baughman同时也是自然科学与数学学院化学系罗伯特·韦尔奇杰出首席科学家。
为研究聚乙烯鱼线的制冷原理，研究人员采用X-射线衍射对加捻的螺旋纤维拉伸前后进行了观测。
“我们发现，螺旋结构的纤维拉伸后，其低熵态结构部分转变为高熵态”，刘遵峰说，“这种相转变是实现聚乙烯鱼线‘扭热制冷’的本质原因”。
制冷器件与应用
通过对镍钛合金丝进行解捻，可以获得很好的制冷效果。对单根镍钛合金丝解捻可以获得17摄氏度的降温，对四根镍钛合金丝同时解捻可以获得20.8摄氏度的降温。
研究人员使用三根镍钛合金丝制作了一个制冷器件原型，解捻可以对流动的水实现了高达7.7摄氏度的制冷效果。“使用多个制冷循环，我们可以实现更高的制冷效果”，刘遵峰说。
此外，研究人员将热致变色涂料涂覆在多种纤维表面，在纤维加捻和解捻过程，可以观察到纤维变色。这种变色纤维可用作新型传感元件，可实现对纤维捻度和长度变化进行远程光学测量，制备可穿戴、肉眼可读的传感器，以及智能变色织物。
“这些初步的发现距离‘扭热冰箱’的商业化依然有很长的路要走，也存在很多机遇与挑战”，Baughman说，“这些挑战包括，开发新型的器件与材料以提高循环使用寿命，合理利用输入功以提高效率。潜在的机遇包括，除使用商业化的现有材料，进一步优化‘捻热制冷’材料，获得最佳的性能”。
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论文共同第一作者为南开大学博士生王润和纳米技术研究所的研究副教授房少立博士。参与该研究的UT Dallas纳米技术研究所的其他成员包括研究教授Ali Aliev博士和博士后穆久科，UT Dallas机械工程学院教授钱冬博士和鲁红兵博士，以及化学系博士生王重。参与该研究的单位还包括佐治亚南方大学、林德科（美国）研究中心、巴西坎皮纳斯州立大学，来自中国的研究机构包括南开大学、清华大学、武汉大学、清华大学深圳国际研究生院、天津理工大学、辽宁科技大学、以及中国药科大学。
该研究德克萨斯州立大学受到美国空军科学研究局，罗伯特·韦尔奇基金会，和美国国家科学基金会的资助。
Journal
Science