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國(guo)際研究(jiu)團隊(dui)研獲柔性制冷新策略(lve)
論文截圖
更加高效(xiao)、節(jie)能、綠色、便(bian)攜的(de)制(zhi)(zhi)冷(leng)方式是(shi)人(ren)類不懈探索(suo)的(de)方向(xiang)。今天(10月11日)在(zai)線(xian)出(chu)版的(de)《科學(xue)》(Science)雜志刊文，報道了中國南開(kai)大學(xue)與美(mei)國德克薩斯(si)州(zhou)立大學(xue)達拉(la)斯(si)分校的(de)一(yi)支國際聯(lian)合研究團(tuan)隊研獲(huo)的(de)一(yi)種柔性制(zhi)(zhi)冷(leng)新(xin)策略(lve)——“扭熱(re)制(zhi)(zhi)冷(leng)”。他們發現，改變纖維內部(bu)的(de)捻度可以(yi)實現降溫。由于(yu)制(zhi)(zhi)冷(leng)效(xiao)率更高、體積更小(xiao)且適用于(yu)天然橡膠(jiao)、釣魚線(xian)以(yi)及(ji)鎳鈦合金(jin)等多種普通材料，基(ji)于(yu)這種方法(fa)制(zhi)(zhi)成的(de)“扭熱(re)冰箱”也(ye)變得前景可期。
“扭熱制冷”中(zhong)，對(dui)橡膠纖維加捻會生成不同的結構：加捻、部分螺旋(xuan)、全部螺旋(xuan)、和超螺旋(xuan)，橡膠直徑：2.5 mm，預拉伸應(ying)變：200%
這項發現來自于(yu)南開大學藥(yao)物化學生物學國家重點實驗室、藥(yao)學院、功能(neng)高分子教(jiao)育部重點實驗室劉(liu)遵峰(feng)(feng)教(jiao)授(shou)團(tuan)隊與美國德克薩斯州(zhou)立(li)大學達拉(la)斯分校教(jiao)授(shou)、南開大學楊石先(xian)講座教(jiao)授(shou)雷·鮑(bao)曼(Ray H.Baughman)團(tuan)隊的合作研(yan)究(jiu)。劉(liu)遵峰(feng)(feng)、雷·鮑(bao)曼為(wei)論文(wen)共同通訊(xun)作者，南開大學為(wei)論文(wen)第一(yi)單位(wei)。
節省電能 降低成本
根據(ju)國際制(zhi)冷(leng)(leng)研究機構的數(shu)據(ju)統計(ji)，目前世界(jie)上使(shi)用空調和(he)(he)冰(bing)箱制(zhi)冷(leng)(leng)消耗的電能約占全球電能損耗的20%。如(ru)今被廣泛(fan)應用的空氣壓縮原理制(zhi)冷(leng)(leng)，其(qi)卡諾效率一般低于60%。傳統的冰(bing)箱在制(zhi)冷(leng)(leng)過(guo)程(cheng)釋放(fang)出的氣體正在加(jia)劇(ju)地球變暖。隨(sui)著人類對制(zhi)冷(leng)(leng)需求(qiu)的增(zeng)加(jia)，探索新型制(zhi)冷(leng)(leng)理論(lun)和(he)(he)方案，進一步提高(gao)制(zhi)冷(leng)(leng)效率，降(jiang)低成(cheng)本(ben)并減小制(zhi)冷(leng)(leng)設備的尺寸，成(cheng)為當務(wu)之急。
橡(xiang)皮筋拉伸會發(fa)熱(re)，縮(suo)回后溫(wen)度會降低，這(zhe)種現象叫“彈熱(re)制冷(leng)”。其他固(gu)態制冷(leng)技術(shu)還包括電熱(re)制冷(leng)、磁(ci)熱(re)制冷(leng)以及鎳鈦合金形狀記憶(yi)材料等(deng)新(xin)型方案(an)。但是，這(zhe)些(xie)制冷(leng)技術(shu)的卡諾效(xiao)率均未超(chao)過空氣(qi)壓(ya)縮(suo)制冷(leng)技術(shu)。
基于天然橡膠(jiao)的“彈熱(re)制(zhi)(zhi)冷”早在(zai)19世(shi)紀早期就(jiu)已被發現。但(dan)是，要得(de)(de)到較好的制(zhi)(zhi)冷效果，需要預先將橡膠(jiao)拉伸(shen)到很長的尺寸。通(tong)過“扭熱(re)制(zhi)(zhi)冷”技術，人們只需要解捻就(jiu)可以實現。“初步的實驗(yan)證實，‘扭熱(re)制(zhi)(zhi)冷’技術的卡諾(nuo)效率(lv)可以達到67%。這意(yi)味著，通(tong)過使(shi)用橡膠(jiao)、釣魚線等(deng)普通(tong)材料進行制(zhi)(zhi)冷，有望獲得(de)(de)更高卡諾(nuo)效率(lv)，從而節省更多電能(neng)，降低(di)制(zhi)(zhi)冷成本。”劉(liu)遵峰(feng)說。
體積更小 效率更高
使(shi)用橡皮筋進(jin)行“彈(dan)性(xing)制冷(leng)”，需(xu)要將其(qi)拉伸至(zhi)自身長度的(de)(de)(de)6到(dao)7倍，然(ran)后(hou)縮回去。這意味(wei)的(de)(de)(de)制冷(leng)需(xu)要很大(da)的(de)(de)(de)體積。而且，目前“彈(dan)性(xing)制冷(leng)”的(de)(de)(de)卡諾效(xiao)(xiao)率比較(jiao)低，通常只有約32%。能否開發出(chu)新的(de)(de)(de)方法(fa)進(jin)行制冷(leng)，實現(xian)提高(gao)效(xiao)(xiao)率、減小(xiao)體積是困擾科研人員的(de)(de)(de)難題。
研(yan)(yan)究(jiu)人員將纖(xian)(xian)維(wei)狀的橡(xiang)膠彈性體兩端固定，然后從(cong)一(yi)端旋(xuan)轉加捻，使(shi)其形成一(yi)種超螺旋(xuan)結構。將橡(xiang)膠纖(xian)(xian)維(wei)拉長一(yi)倍(100%應變)，隨(sui)后快速(su)釋(shi)放。研(yan)(yan)究(jiu)人員發現，該橡(xiang)膠纖(xian)(xian)維(wei)的溫度(du)可降低15.5攝(she)氏度(du)。
“扭熱制冷”過程中(zhong)，天然(ran)橡膠(jiao)纖維顯示的溫(wen)度變化。橡膠(jiao)直(zhi)徑為2.2mm
“這一結(jie)果高(gao)于(yu)使用(yong)‘彈熱制(zhi)冷’技(ji)術的(de)降(jiang)(jiang)溫：拉(la)長7倍的(de)橡膠收縮降(jiang)(jiang)溫為(wei)12.2攝氏度(du)。如果將(jiang)伸(shen)長和(he)加捻(nian)均釋放，該‘扭(niu)(niu)(niu)熱制(zhi)冷’降(jiang)(jiang)溫可達(da)16.4攝氏度(du)。”劉遵峰說，獲(huo)得相(xiang)同降(jiang)(jiang)溫效果的(de)情況下，“扭(niu)(niu)(niu)熱制(zhi)冷”的(de)體積僅為(wei)“彈熱制(zhi)冷”的(de)2/7，“扭(niu)(niu)(niu)熱制(zhi)冷”的(de)卡諾效率可達(da)67%。
釣魚線也能制冷?
研究(jiu)人員介紹，橡膠作為(wei)“扭(niu)熱(re)制冷”材料(liao)(liao)，還(huan)有很多(duo)空(kong)間可(ke)以改進(jin)。比(bi)如，橡膠質(zhi)地較(jiao)軟，需(xu)要捻(nian)很多(duo)圈才能獲得(de)比(bi)較(jiao)明顯的(de)降溫，其(qi)傳熱(re)速度較(jiao)慢，還(huan)需(xu)要考慮材料(liao)(liao)的(de)反復使用、耐久(jiu)性(xing)等問題(ti)。因此，探(tan)索其(qi)他“扭(niu)熱(re)制冷”材料(liao)(liao)成為(wei)研究(jiu)團(tuan)隊的(de)一個重要突破方向。
“有趣的(de)是，我們發現(xian)，‘扭熱制冷(leng)’方案也適用(yong)于釣(diao)魚線(xian)(xian)、紡織線(xian)(xian)。之前，人們并沒有意(yi)識到這些(xie)普通的(de)材料可以用(yong)來進行(xing)制冷(leng)。”劉遵峰說。
研究人員先將這些剛性高分(fen)子纖維加捻并形(xing)成螺(luo)旋(xuan)結(jie)構(gou)。這種螺(luo)旋(xuan)結(jie)構(gou)的高分(fen)子纖維也曾被用來制備(bei)強勁的“人工肌肉(rou)”。拉伸該螺(luo)旋(xuan)可以(yi)升溫，螺(luo)旋(xuan)縮回(hui)后溫度降低(di)。
實(shi)驗發現(xian)，使用(yong)“扭熱(re)制冷(leng)”技術(shu)，聚乙(yi)烯(xi)編織線可以產(chan)生(sheng)5.1攝氏度(du)的降溫，而(er)直接拉伸/釋放該材(cai)料卻幾乎觀察不到溫度(du)變化。“這種(zhong)聚乙(yi)烯(xi)纖(xian)維的‘扭熱(re)制冷(leng)’原理是在拉伸-收縮過程中，螺旋內部捻度(du)降低，從而(er)導(dao)致能量的變化。”劉遵峰說，這些(xie)比較堅(jian)硬的材(cai)料，比橡(xiang)膠(jiao)纖(xian)維更為耐久，而(er)且在拉伸很(hen)短的情(qing)況(kuang)下，降溫幅(fu)度(du)也超過橡(xiang)膠(jiao)。
用于“扭熱制冷”的釣魚線。自螺旋(上圖(tu))和(he)中空卷(juan)繞螺旋并固(gu)化(下圖(tu))的尼龍(long)-6纖維圖(tu)。纖維直徑為0.6 mm。標尺(chi)：1.0 mm (上圖(tu)) ，2.0 mm (下圖(tu))
研究人員還發(fa)現，將“扭熱制(zhi)冷(leng)”技術(shu)應用于強度更大、傳熱更快的(de)鎳鈦形狀(zhuang)記憶合金時，制(zhi)冷(leng)效(xiao)果更佳，且只需要加入較低的(de)捻度，就會獲得比較大的(de)降溫。
研究(jiu)人員將(jiang)四根鎳鈦合(he)金絲放在一起(qi)加(jia)捻，解捻后最大降溫點可達20.8攝氏度，整體平(ping)均降溫也可達到18.2攝氏度。“這要(yao)(yao)略高于使用‘彈熱制冷(leng)’技術獲得的17.0攝氏度降溫。一個制冷(leng)周期，只需(xu)要(yao)(yao)30秒左(zuo)右(you)。”劉遵峰說。
研(yan)究人員還制作了一個基于(yu)“扭(niu)熱制冷”技術(shu)的冰箱模型(xing)，可以對流動的水(shui)進行降溫(wen)。他們使用(yong)三根鎳(nie)鈦合金(jin)絲作為制冷材料，每厘米(mi)旋轉(zhuan)0.87圈，可以獲(huo)得7.7攝氏(shi)度的降溫(wen)。
“扭熱(re)制冷”的冰箱模型。使(shi)用鎳鈦合金絲或彈性體纖維的“扭熱(re)制冷”裝(zhuang)置(zhi)
可以對流水進行降溫
“反扭熱制冷”效應和“扭熱制冷”變色
一般情況(kuang)下的使(shi)用(yong)(yong)釣魚線的“扭熱制(zhi)冷(leng)”現象為：拉伸(shen)升溫、收縮(suo)降溫。“通過使(shi)用(yong)(yong)相反的加捻和螺(luo)旋方向(xiang)，我們可(ke)以實現拉伸(shen)制(zhi)冷(leng)。這種現象很奇特。”雷·鮑(bao)曼說(shuo)。
將纖維加捻(nian)后繞成螺旋(xuan)(xuan)，如果纖維的(de)加捻(nian)方向(xiang)與制(zhi)備的(de)螺旋(xuan)(xuan)方向(xiang)相反(fan)(fan)，可以制(zhi)成“反(fan)(fan)向(xiang)螺旋(xuan)(xuan)”。與常規的(de)“扭熱制(zhi)冷”效應不同(tong)，這種“反(fan)(fan)向(xiang)螺旋(xuan)(xuan)”結(jie)構的(de)橡膠彈(dan)性體(ti)和魚線(xian)，在拉伸(shen)下(xia)會降(jiang)溫，這種新奇(qi)的(de)現象(xiang)稱為“反(fan)(fan)扭熱制(zhi)冷”效應。
“扭熱制(zhi)冷(leng)”中(zhong)的另外一個特殊現象(xiang)是(shi)纖維不同(tong)部位(wei)呈現不同(tong)的溫(wen)度(在紅(hong)外成(cheng)像(xiang)儀中(zhong)，會發現升(sheng)溫(wen)會顯示為紅(hong)色，降(jiang)溫(wen)顯示為藍色)。這是(shi)由于纖維加捻產生的螺旋(xuan)沿纖維長度方向的周期性分(fen)布所致。
“扭熱(re)制冷”的周期性溫度(du)分布。具有螺旋(xuan)結(jie)構天然橡膠(jiao)纖維被(bei)拉(la)伸后(上圖(tu))和釋(shi)放拉(la)伸后(下圖(tu))的紅外圖(tu)像和光學(xue)圖(tu)像。紅色表示(shi)加熱(re)，藍色表示(shi)降(jiang)溫
研究人(ren)員將(jiang)鎳(nie)鈦合金絲(si)表(biao)面(mian)涂覆熱(re)致變(bian)色涂料(liao)，可以(yi)制成“扭(niu)熱(re)制冷”變(bian)色纖(xian)(xian)維。在加捻和解捻的(de)(de)過(guo)程中，該(gai)纖(xian)(xian)維會發生(sheng)可逆的(de)(de)顏色變(bian)化(hua)。“它(ta)可用(yong)作新(xin)型傳(chuan)感(gan)元件(jian)，對纖(xian)(xian)維捻度進行遠(yuan)(yuan)程光(guang)學測(ce)量。比如，通過(guo)使用(yong)肉(rou)眼觀察顏色的(de)(de)變(bian)化(hua)，就可以(yi)知道遠(yuan)(yuan)處(chu)的(de)(de)材料(liao)轉了(le)幾圈，這是(shi)一(yi)種(zhong)非常簡易的(de)(de)傳(chuan)感(gan)器。”劉(liu)遵(zun)峰說，基于(yu)“扭(niu)熱(re)制冷”原理，一(yi)些纖(xian)(xian)維也可用(yong)于(yu)智(zhi)能變(bian)色織物。
利用“扭熱制(zhi)冷”實現顏色(se)變(bian)(bian)化的纖(xian)維。表面涂(tu)覆有熱致變(bian)(bian)色(se)涂(tu)料的鎳鈦(tai)合金(jin)絲加捻(nian)(nian)和解捻(nian)(nian)后(hou)的顏色(se)變(bian)(bian)化圖像
“這些(xie)初步(bu)的(de)發現(xian)距(ju)離(li)‘扭(niu)熱冰箱(xiang)’的(de)商業化(hua)依(yi)然有(you)很(hen)長的(de)路要走，也存在很(hen)多機遇(yu)與挑戰(zhan)(zhan)”，雷·鮑曼說(shuo)，“這些(xie)挑戰(zhan)(zhan)包(bao)括，開發新型的(de)器件與材料(liao)以(yi)提(ti)(ti)高循環使用壽命，合理利(li)用輸入功以(yi)提(ti)(ti)高效率。潛在的(de)機遇(yu)包(bao)括，除使用商業化(hua)的(de)現(xian)有(you)材料(liao)，進一(yi)步(bu)優化(hua)‘扭(niu)熱制冷’材料(liao)，獲(huo)得最佳的(de)性能”。
劉(liu)遵峰認為(wei)，該研(yan)究(jiu)發現(xian)的(de)這種新型(xing)制(zhi)冷技(ji)術，為(wei)制(zhi)冷領域擴充了一個新的(de)板塊。將為(wei)降低制(zhi)冷領域能(neng)源損耗提供一種新的(de)途徑(jing)。
據了(le)解(jie)，清(qing)華大(da)(da)學(xue)、武漢(han)大(da)(da)學(xue)、佐(zuo)治亞南方大(da)(da)學(xue)、清(qing)華大(da)(da)學(xue)深圳國際(ji)研(yan)究生院(yuan)、林德科(美國)研(yan)究中(zhong)心、巴西(xi)坎(kan)皮納斯州立(li)大(da)(da)學(xue)、天津理工大(da)(da)學(xue)、遼寧科技大(da)(da)學(xue)、中(zhong)國藥(yao)科大(da)(da)學(xue)等單(dan)位參(can)與了(le)此(ci)項研(yan)究。
劉遵(zun)峰教授及研究團(tuan)隊
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