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美国/中国:来自德克萨斯大学达拉斯分校和中国南开大学的国际研究团队发现了一种基于加捻和解捻纤维的新型制冷技术。

该团队声称已经使用天然橡胶、普通钓鱼线和镍钛线等多种材料展示了基于扭曲的制冷。

“我们的团队通过改变纤维的捻度展示了我们所说的扭曲热量冷却。我们将使用扭曲变化的冷却器称为制冷扭曲冰箱,”德克萨斯大学达拉斯分校 Alan G MacDiarmid 纳米技术研究所所长 Ray Baughman 博士说。

拉伸和松开橡皮筋的效果被称为弹性热量冷却。

“天然橡胶的这种弹性热量行为早在 1800 年代初就已为人所知。但是要从橡皮筋获得高冷却效果,您必须释放非常大的拉伸力,”鲍曼说。“通过扭曲热量冷却,我们发现您所要做的就是释放扭曲。”

研究人员用热致变色涂料涂在这种天然橡胶纤维上,以直观地展示温度变化

实验

Baughman 的研究团队此前开发了通过紧密缠绕和盘绕纤维制成的人造肌肉,这些纤维的范围从碳纳米管纱线到普通尼龙线和聚乙烯钓鱼线。

在目前的工作中,科学家们拉伸橡胶纤维,然后将它们扭曲,直到它们不仅卷曲,而且超卷曲。扭曲的快速释放导致表面温度下降 15.5ºC。释放橡胶的扭曲和拉伸会产生更高的冷却温度,达到 16.4ºC。

扭曲热量冷却也适用于钓鱼线。研究人员将扭曲插入非弹性聚合物钓鱼线,直到形成线圈。拉伸卷曲纤维会导致加热,而拉伸释放会产生 5.1ºC 的最大表面冷却。

“通过采用相反方向的扭曲和卷曲,我们设计了拉伸时冷却的纤维,”鲍曼说。“这是非常不寻常的行为,因为普通材料在拉伸时会变热。”

为了了解冷却效应,研究人员使用 X 射线晶体学来观察分子水平上发生的事情。“我们发现从卷曲纤维中释放拉伸会导致低熵相部分转化为高熵相,”鲍曼的共同研究员,医学院药物化学生物学国家重点实验室教授刘尊峰博士说。天津南开大学药学院。

冷却

据说还可以通过从镍钛线上去除扭曲并通过解开这些线束来实现大的可逆冷却。当研究人员解开单根电线时,观察到的最大表面冷却温度为 17ºC。解开四线束会产生更高的冷却效果,达到 20.8ºC。

研究人员将一根三层镍钛电线电缆放入他们制造的设备中,当电缆解开时,该设备将水流冷却至 7.7ºC。“通过使用更多的扭曲和扭曲释放循环,可以实现更高的冷却效果,”刘说。

在另一组实验中,他们用热致变色涂料涂在不同类型的纤维上,这种涂料会随着纤维扭曲或拉伸盘绕纤维产生的温度变化而改变颜色。这种纤维可用于应变和扭曲的远程可读传感器,以及用于服装的变色纺织品。

“从这些最初的发现到用于各种大小型应用的扭曲冰箱商业化,在这条道路上存在许多挑战和机遇,”鲍曼承认。

“其中的挑战是需要展示通过回收部分输入机械能来提供针对应用的循环寿命和效率的精制设备和材料。机会包括使用性能优化的扭曲热量材料,而不是目前研究的少数商用候选材料。”

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