有一種柔性制冷新策略,可通過(guò)加捻和解捻就實(shí)現(xiàn)纖維制冷。在近日在線發(fā)表于《科學(xué)》的研究報(bào)告中,南開大學(xué)和美國(guó)得克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員展示了這種基于捻曲技術(shù)的制冷方案。該方案可適用于多種材料,包括天然橡膠、普通的釣魚線以及鎳鈦合金。
“我們的研究顯示,通過(guò)改變纖維內(nèi)部的捻度可以實(shí)現(xiàn)降溫,我們稱這種制冷方式為‘扭熱制冷’,基于這種方法的設(shè)備稱為‘扭熱冰箱’。”得克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校麥克德爾米德納米技術(shù)研究所教授Ray Baughman說(shuō)。
據(jù)統(tǒng)計(jì),目前世界上使用空調(diào)和冰箱制冷,消耗的電能約占全球電能損耗的20%。傳統(tǒng)冰箱在制冷過(guò)程釋放出的氣體將加劇地球的溫室效應(yīng)。隨著人類對(duì)制冷需求的增加,進(jìn)一步提高制冷效率、降低成本,并縮小機(jī)器的尺寸,成為當(dāng)務(wù)之急。
橡皮筋拉伸會(huì)發(fā)熱,縮回后溫度會(huì)降低,這種現(xiàn)象叫彈熱制冷。“基于天然橡膠的彈熱制冷早在19世紀(jì)早期就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了,但要得到較好制冷效果,需要預(yù)先將橡膠拉伸到很長(zhǎng),而通過(guò)‘扭熱制冷’,你只需要解捻就可以實(shí)現(xiàn)。”Baughman說(shuō)。
在本項(xiàng)研究中,Baughman團(tuán)隊(duì)和南開大學(xué)教授劉遵峰團(tuán)隊(duì),將橡膠纖維拉長(zhǎng)、加捻,使其逐漸形成螺旋、直到生成超螺旋結(jié)構(gòu),迅速解捻可使橡膠表面降低約15.5攝氏度,而同時(shí)解捻和收縮,將產(chǎn)生高達(dá)16.4攝氏度的降溫。
該扭熱制冷策略也適用于釣魚線。研究人員對(duì)剛性的高分子魚線進(jìn)行加捻,形成螺旋。結(jié)果顯示,螺旋拉伸溫度會(huì)升高,縮回后溫度降低,最大降溫可達(dá)5.1攝氏度。
為研究聚乙烯魚線的制冷原理,研究人員采用X射線衍射對(duì)加捻的螺旋纖維拉伸前后進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果顯示,螺旋結(jié)構(gòu)的纖維拉伸后,其低熵態(tài)結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)變?yōu)楦哽貞B(tài)。劉遵峰表示,這種相轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)聚乙烯魚線扭熱制冷的本質(zhì)原因。
此外,通過(guò)對(duì)鎳鈦合金絲進(jìn)行解捻,也可以獲得很好的制冷效果。研究人員使用3根鎳鈦合金絲制作了一個(gè)制冷器件原型,解捻對(duì)流動(dòng)的水實(shí)現(xiàn)了多達(dá)7.7攝氏度的制冷效果。
此外,研究人員將熱致變色涂料涂覆在多種纖維表面,在纖維加捻和解捻過(guò)程中,可以觀察到纖維變色。這種變色纖維可用作新型傳感元件,實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維捻度和長(zhǎng)度變化進(jìn)行遠(yuǎn)程光學(xué)測(cè)量,制備可穿戴、肉眼可讀的傳感器,以及智能變色織物。
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