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https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216
Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers
Abstract
Higher-efficiency, lower-cost refrigeration is needed for both large- and small-scale cooling. Refrigerators using entropy changes during cycles of stretching or hydrostatic compression of a solid are possible alternatives to the vapor-compression fridges found in homes. We show that high cooling results from twist changes for twisted, coiled, or supercoiled fibers, including those of natural rubber, nickel titanium, and polyethylene fishing line. Using opposite chiralities of twist and coiling produces supercoiled natural rubber fibers and coiled fishing line fibers that cool when stretched. A demonstrated twist-based device for cooling flowing water provides high cooling energy and device efficiency. Mechanical calculations describe the axial and spring-index dependencies of twist-enhanced cooling and its origin in a phase transformation for polyethylene fibers.
中美科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研獲新型柔性制冷方式 這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)來(lái)自南開(kāi)大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、藥學(xué)院、功能高分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)得克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校教授、南開(kāi)大學(xué)楊石先講座教授雷·鮑曼（Ray H.Baughman）團(tuán)隊(duì)的合作研究。劉遵峰、雷·鮑曼為論文共同通訊作者，南開(kāi)大學(xué)為論文第一單位。 他們發(fā)現(xiàn)，改變纖維內(nèi)部的捻度可以實(shí)現(xiàn)降溫。由于制冷效率更高、體積更小且適用于天然橡膠、釣魚(yú)線以及鎳鈦合金等多種普通材料，基于這種方法制成的“扭熱冰箱”也變得前景可期。 根據(jù)國(guó)際制冷研究機(jī)構(gòu)的數(shù)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%。如今被廣泛應(yīng)用的空氣壓縮原理制冷，其卡諾效率一般低于60%。傳統(tǒng)的冰箱在制冷過(guò)程釋放出的氣體正在加劇地球變暖。隨著人類對(duì)制冷需求的增加，探索新型制冷理論和方案，進(jìn)一步提高制冷效率，降低成本并減小制冷設(shè)備的尺寸，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”。其他固態(tài)制冷技術(shù)還包括電熱制冷、磁熱制冷以及鎳鈦合金形狀記憶材料等新型方案。但是，這些制冷技術(shù)的卡諾效率均未超過(guò)空氣壓縮制冷技術(shù)。 通過(guò)“扭熱制冷”技術(shù)，人們只需要解捻就可以使卡諾效率達(dá)到67%。這意味著，通過(guò)使用橡膠、釣魚(yú)線等普通材料進(jìn)行制冷，有望獲得更高卡諾效率，從而節(jié)省更多電能，降低制冷成本。 “有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)，‘扭熱制冷’方案也適用于釣魚(yú)線、紡織線。之前，人們并沒(méi)有意識(shí)到這些普通的材料可以用來(lái)進(jìn)行制冷�！眲⒆穹逭f(shuō)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，將“扭熱制冷”技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)度更大、傳熱更快的鎳鈦形狀記憶合金時(shí)，制冷效果更佳，且只需要加入較低的捻度，就會(huì)獲得比較大的降溫。 “這些初步的發(fā)現(xiàn)，距離‘扭熱冰箱’的商業(yè)化依然有很長(zhǎng)的路要走，也存在很多機(jī)遇與挑戰(zhàn)”，雷·鮑曼說(shuō)，“這些挑戰(zhàn)包括開(kāi)發(fā)新型的器件與材料以提高循環(huán)使用壽命，合理利用輸入功以提高效率。潛在的機(jī)遇包括，除使用商業(yè)化的現(xiàn)有材料，進(jìn)一步優(yōu)化‘扭熱制冷’材料，獲得最佳性能。” 據(jù)了解，清華大學(xué)、武漢大學(xué)、佐治亞南方大學(xué)、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、林德科（美國(guó)）研究中心、巴西坎皮納斯州立大學(xué)、天津理工大學(xué)、遼寧科技大學(xué)、中國(guó)藥科大學(xué)等單位參與了此項(xiàng)研究。（來(lái)源：光明日?qǐng)?bào)） |
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mang2004 2019-10-17 06:56
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Higher-efficiency, lower-cost refrigeration is needed for both large- and small-scale cooling. Refrigerators using entropy changes during cycles of stretching or hydrostatic compression of a solid are possible alternatives to the vapor-compression fridges found in homes. We show that high cooling results from twist changes for twisted, coiled, or supercoiled fibers, including those of natural rubber, nickel titanium, and polyethylene fishing line. Using opposite chiralities of twist and coiling produces supercoiled natural rubber fibers and coiled fishing line fibers that cool when stretched. A demonstrated twist-based device for cooling flowing water provides high cooling energy and device efficiency. Mechanical calculations describe the axial and spring-index dependencies of twist-enhanced cooling and its origin in a phase transformation for polyethylene fibers.