冰箱家家有，打開你的冰箱冷凍冷藏室，裡面通常都會被塞得滿滿的。
剩菜、剩飯、各種蔬菜、瓜果、牛奶、雞蛋、熟肉、飲料、巧克力、番茄醬、罐頭、茶葉，甚至還有化妝品、美容品，保健品和藥材。
但你是否想過，未來的冰箱使用的將不再是製冷劑，而是一根根被扭曲的線繩！
在發表於《科學》雜誌的最新研究中，南開大學和美國得克薩斯州立大學的合作研究團隊驗證了“扭熱效應”的製冷潛力。
No.1 拉伸橡皮筋就可以制熱製冷？
還記得中學物理中冰箱製冷的原理嗎？冰箱的製冷過程是一個卡諾循環，而其中的關鍵就是製冷劑：
低溫的液態製冷劑在蒸發器中吸收冰箱中的熱量並汽化；
蒸汽進入壓縮機，被壓縮成高壓氣體後排出；
高壓氣體進入冷凝器，凝結成高壓液體；
液體流經膨脹閥時壓力降低，進入蒸發器。
（以上4個步驟週而復始，實現了冰箱內部的製冷。）
但是，液態製冷劑的卡諾效率只有60%左右，因此製冷需要消耗大量能源：全球20%的電能，都用在了冰箱及空調製冷上。此外，目前的製冷工藝還釋放了大量溫室氣體；一旦製冷液洩露，更會直接威脅到生態環境。
尋找更加高效、環保的製冷方式，已經成為眾多研究團隊探索的目標。
1805年，英國實驗哲學家約翰·高夫首次觀察到（準確地說，是感受到）彈熱效應。高夫在幼年時因感染天花而失去了視覺，卻擁有了更敏銳的感知能力。
他在拉伸橡皮筋時發現，如果在嘴唇跟前拉伸橡皮筋，嘴唇可以感受到空氣的升溫；而當橡皮筋彈回，嘴唇感受到的則是一絲涼意。
就這樣，高夫發現了該過程中的熱量變化。多年後，著名物理學家詹姆斯·焦耳進一步確認了彈熱效應。
然而，通過橡膠或其他彈性材料製冷的卡諾效率只有32%，而且一根橡膠繩需要被拉長6~7倍，才能產生顯著的熱量變化，這顯然不能令人滿意。
No.2 “扭曲”比“拉伸”產生更大能量
怎樣在彈熱裝置的基礎上，打造更加實用的製冷裝置？南開大學的劉遵峰團隊想到了拉伸之外的另一種變化——扭曲。
劉遵峰教授表示，此前在進行人工肌肉等材料研究時，常常對材料施加扭曲力以及解除扭曲力，這一過程恰好伴隨了熱量的釋放與吸收。
研究團隊驗證了這個想法，他們首先使用天然橡膠纖維進行測試：
固定住橡膠的兩端後，在將橡膠拉伸1倍的同時，施加不同程度的扭曲力。
這時，橡膠纖維分別處於如下圖所示的四種狀態：
扭曲、部分螺旋、完全螺旋和超螺旋，四種狀態的扭曲幅度依次增加。隨後，研究者快速釋放扭曲力，並觀察該過程中的熱量變化。
結果不出所料：扭曲程度越高，橡膠纖維被釋放時的降溫越明顯。而且，扭熱的降溫效果遠超單純的彈熱效應，如果僅僅拉伸橡膠，需要將橡膠纖維拉長7倍，才能達到相近的降溫效果。
至此，研究證實了扭熱效應在高效製冷中的潛力。不過，研究團隊並未就此止步，由於橡膠傳熱較慢、使用壽命有限，研究者繼續探索了其他材料在扭熱製冷中的表現。
No.3 鎳鈦合金成功打造“扭熱冰箱”！
在這個過程中，他們注意到一個意料之外的現象：相比質地柔軟的橡膠材料，堅硬的高分子材料更加耐用！
在這些測試的基礎上，研究團隊希望找到一種兼具耐用性、導熱性與硬度的材料。他們選擇了此前彈熱效應研究中常用的鎳鈦記憶合金（Ni52.6Ti47.4），一種理論卡諾效應達到84%的材料。
劉遵峰團隊使用鎳鈦合金，打造了一個“扭熱冰箱”的原型。這個小型冰箱模型中用了3根鎳鈦記憶合金絲。
裝置將3根合金絲的兩端固定後同時加捻，隨後解捻，完成一個製冷循環。對裝置出口處水溫的監測顯示，這個“扭熱冰箱”讓水溫下降了7.7℃。
儘管扭熱效應前景喜人，但目前仍有不少問題需要解決。研究團隊也正在尋找抗疲勞、導熱性更好的複合高分子材料，以提升製冷表現；裝置的設計細節有待提升，他們也在嘗試開發與實際更接近的冰箱模型。
天天拿橡皮筋拔高發際線的小科君，
這就把皮筋解下來試試！
科普蘇州
ID: kepusuzhou
蘇式生活，因科學更品質
生活中任何疑惑的，需要科學解答的問題
動動手，加我們！
科普蘇州QQ群2：700538949
閱讀更多 科普蘇州 的文章
